VETERNA ENERGIA Energia vetra je formou slnecnej energie, ktora vznika pri nerovnomernom ohrievani zemskeho povrchu. Slnko vyzaruje smerom k Zemi energiu rovnajucu sa 100,000,000,000,000 kWh. Z tejto hodnoty sa priblizne 1 az 2 % meni na energiu vetra. Je to 50 az 100-krat viac ako energia, ktoru premenia vsetky rastliny na Zemi na zivu biomasu. Vietor, kedze je pritomny vsade, bol clovekom vyuzivany od nepamati. Navyse tato energia je pritazliva aj dnes, pretoze jej vyuzivanie neprodukuje ziadne odpady, neznecistuje ovzdusie a nema negativny vplyv na zdravie ludi. Vietor ako primarny zdroj energie je zadarmo a je ho mozne vyuzit decentralizovane takmer v kazdej casti sveta. obr. plachetnica.jpg HISTORIA Vyuzivanie sily vetra siaha niekolko tisic rokov do minulosti a su s nim spajane pociatky ludskej civilizacie, kedy sa clovek rozhodol vyuzit tuto energiu na pohon plavidiel. Jednoduche plachetnice, ktore sa zachovali do dnesnej doby su stare viac ako 5000 rokov a pochadzaju z Egypta. Najstarsie mlyny pohanane vetrom pochadzaju z dnesneho Afganistanu a su stare viac ako 2700 rokov. Tieto zariadenia sa bezne vyuzivali na mletie obilia aj v inych castiach sveta. Okrem toho sa tiez pouzivali na zavlazovanie poli na viacerych ostrovoch Stredozemneho mora. Na Krete su takto vyuzivane dodnes. Prve vetrom pohanane vodne cerpadlo sa objavilo v USA v roku 1854. Bola to jednoducha veterna ruzica s viacerymi malymi plachtami a drevenym chvostom, ktory natacal cele zariadenie v smere prudenia vetra. V roku 1940 pracovalo v USA viac ako 6 milion takychto veternych cerpadiel. Okrem cerpania vody sa vyuzivali aj na vyrobu elektrickej energie. Udava sa, ze zapas o osidlenie "Divokeho zapadu" bol zvladnuty aj vdaka vetrenym cerpadlam, ktore napajali vodou obrovske stada dobytka. 20. storocie vsak znamenalo nastup novych energetickych zdrojov - elektriny, ropy a zemneho plynu, ktore veterne cerpadla postupne zatlacili do pozadia. Tento stav trval az do ropnej krizy v 70. rokoch, kedy sa zaujem o veternu energiu znovu ozivil. Statna podpora vyvoja a vyskumu dala v mnohych krajinach podnet pre rozvoj novych technologii. Snaha sa sustredila hlavne na vyrobu elektriny veternymi turbinami, co suviselo s tym, ze vo vyspelych krajinach nema cerpanie vody veternymi agregatmi taky vyznam ako napr. v rozvojovych krajinach. obr.windmill.jpg Na zaciatku sucasneho rozvoja veternej energetiky vo svete stal vyvoj a vyroba malych veternych turbin. Tieto male zariadenia sa vyuzivali pre jednoduche aplikacie avsak po tom, co ich vykon postupne narastal stratili vyznam ako zdroj elektrickej energie pre jednotlive domy. V sucasnosti prakticky vsetky vacsie turbiny dodavaju elektricku energiu do siete. Suvisi to s tym, ze vykon jednej turbiny je zvycajne omnoho vacsi ako je spotreba jednej resp. viacerych domacnosti. Navyse v miestach, kde rychlost vetra dosahuje v rocnom priemere viac ako 5 m/s sa zacinali uz od 80. rokov budovat veterne farmy, ktore svojou vyrobou prevysovali spotrebu celych obci. Prve taketo farmy boli vybudovane v Kalifornii. V USA su tieto farmy vlastnene sukromnymi spolocnostami (nezavislymi vyrobcami) a nie velkymi elektrarenskymi spolocnostami. Hoci vystavba tychto zdrojov sa nezaobisla bez problemov, rozvoj veternej energetiky sa nedal zastavit a dnes sa len v Kalifornii nachadza asi 16 tisic vacsich turbin, ktore vyrabaju viac elektrickej energie ako jej rocne spotrebuje napr. San Francisco. Veterne agregaty su budovane po celom svete. Su tiez idealnou technologiou pre rozvojove krajiny, kde je momentalne velky dopyt po novych vyrobnych kapacitach v oblasti energetiky. Vyhodou veternych elektrarni je, ze v porovnani s klasickymi elektrarnami je ich mozne jednoducho, lacno a v relativne velmi kratkej dobe postavit a pripojit do verejnej siete. Rozvinute krajiny dnes prejavuju o veterne turbiny zaujem nielen z hladiska ochrany zivotneho prostredia, ale tiez aj z ekonomickych dovodov. Cena vyrobenej elektriny stale klesa a v niektorych krajinach je porovnatelna s cenou elektriny vyrobenou v klasickych elektrarnach. Dnes aj ti najkonzervativnejsi energetici predpovedaju velky rozvoj veternych technologii v blizkej buducnosti. obr. lasihiti.jpg Text: V udoli Lasihiti na Krete sa veterne mlyny vyuzivaju na zavlazovanie od nepamati. USA V USA bol z hladiska rozvoja veternej energie rozhodujuci rok 1973 a prudky rast cien energie ako dosledok zaciatku ropnej krizy. Cena ropy sa v tomto obdobi vysplhala az na 60 USD za barel. V tom case vyvinul Westinghouse Electric prvu generaciu 200 kW veternych turbin, ktorych vykon postupne vzrastal. Najvacsia turbina tohto vyrobcu bola instalovana v Oahu na Hawaii ma vykon 3,2 MW. Vdaka danovym ulavam (25%) pre investorov a zakonu, ktory umoznoval nezavislym vyrobcom vyrabat a predavat elektricku energiu bolo v obdobi rokov 1981-1984 len v Kalifornii instalovanych 6870 turbin. Danove ulavy boli zrusene na konci roka 1985. Kedze ziadny z malych vyrobcov veternych turbin nebol vlastneny velkymi spolocnostami, po zruseni ekonomickeho stimulu a poklese ceny ropy na 10 dolarov za barel, vacsina tychto firiem zanikla. Vyrobcovia, ktori toto "cenove narovnanie" prezili a vyrabaju turbiny dodnes su ti, ktori vyrabali najspolahlivejsie zariadenia a mali najlepsiu reputaciu. Na konci 90. rokov vsak vyroba veternych turbin v USA znovu vzrastla a spolu s rastom poctu dovazanych turbin z Europy bol v USA opat oziveny trh s veternou energiou. obr. californiawind.jpg Text: Veterna farma v Kalifornii. DANSKO Dansky priemysel vyroby veternych turbin je prikladom obrovskeho obchodneho uspechu. Toto odvetvie sa prakticky z nuly v roku 1980 dopracovalo az k obratu 1 miliardy dolarov v roku 1998. Danske turbiny dnes dominuju na svetovych trhoch a ich vyrobcovia zamestnavaju 15 tisic ludi. Obchodny obrat je dvakrat vacsi ako dansky obrat z tazby zemneho plynu v Severnom mori. Vyroba, hlavne na export dosiahla 1216 MW v roku 1998. V sucasnosti viac ako polovica turbin instalovanych na celom svete pochadza z Danska. Tento uspesny vyvoj je dosledkom pociatocnej vladnej podpory pre obnovitelne energeticke zdroje, z ktorej bolo hradenych az 30% investicnych nakladov na vystavbu tychto technologii. Statna podpora stala na zaciatku uspesneho vyvoja priemyslu s veternymi turbinami. Taktiez znamenala rozvoj technologie spalovania slamy, vyroby bioplynu aj solarnych kolektorov. Vlada vytvorila osobitnu vyskumno-vyvojovu zakladnu - National Wind Turbine Test Centre v Riso, ktora poskytovala vyrobcom odbornu pomoc. Statna podpora krytia investicnych nakladov bola po uspesnom zaciatku znizena v roku 1986 na 15 % a po tom co sa toto priemyselne odvetvie definitivne stabilizovalo bola uplne zrusena v roku 1989. Uvedena podpora bola ciastocne nahradena danovymi ulavami pre majitelov veternych turbin, ktorym sa cast prijmu z predaja elektriny nezdanuje. Rozvoj vyuzivania veternej energie v Dansku je obrovsky. Pozoruhodne na tomto vyvoji je, ze okrem vladnej podpory a angazovanosti malych vyrobcov bol zalozeny na komunalnej aktivite ludi, ktori sa zdruzovali do druzstiev vlastnikov veternych elektrarni. Jeden z typickych prikladov aktivity ludi na miestnej urovni sa odohral v obci Bryrup (Jutland) vzdialenej 110 km od zapadneho a 50 km od vychodneho pobrezia. Obyvatelia tu zalozili druzstvo so 70-timi clenmi vlastniacimi tri veterne turbiny (instalovane v rokoch (1986 az 1989), z ktorych jedna s vykonom 95 kW rocne vyraba 184.000 kWh a dalsie dve, kazda s vykonom 150 kW, produkuju po 275.000 kWh. Celkova rocna vyroba je asi 734.000 kWh. Cena turbin vratane instalacie a pripojenia na siet dosiahla 2,5 milion DKr (1 DKr = 5,7 Sk), pricom tato suma bola rozdelena na 734 "podielov", kazdy odpovedajuci rocnej vyrobe 1000 kWh, a predany v cene 3400 DKr. Tato cena odpoveda asi polmesacnemu prijmu po zdaneni pre nekvalifikovaneho robotnika. Kazdy z podielnikov si mohol nakupit podiely v pocte umernom jeho rocnej spotrebe elektriny plus 30%. Napriklad pri rocnej spotrebe 10.000 kWh si mohol spolu s dodatocnymi 3000 kWh kupit maximalne 13 "podielov". Toto obmedzenie bolo uplatnene pretoze zisk druzstevnych spolocnikov nie je v Dansku zdanovany. Podielnici si nakupili podiely v pocte 1 az 28, pricom kazdy z nich ma pravo len jedneho hlasu. Ekonomika celeho projektu je velmi dobra aj po tom, co z utrzenych penazi za predaj elektriny elektrarenskej spolocnosti je odkladana ista ciastka na udrzbu. Cisty zisk za rok cini asi 15% z vlozenej sumy, co je ovela viac ako poskytuje akakolvek banka na urokoch z vkladov. Hoci v roku 1999 cena takychto podielov v Danskych druzstvach vzrastla asi na 4000 DKr a cisty zisk klesol na 12,75% este stale je tato forma investovania vyhodnejsia ako napr. klasicke sporenie. Kedze taketo druzstva su poistene pre pripad nehody a poskodenia veternych agregatov s naslednym vypadkom vyroby elektriny a tym aj prijmu, nenesu prakticky ziadne riziko. Druzstevne spolocenstva a investovanie penazi do veternych turbin, na rozdiel od ich ukladania do bank, sa tak stali hybnou silou rozvoja veternej energie v Dansku, ktory priniesol zisk nielen "druzstevnikom", ale v konecnom dosledku aj celej spolocnosti. Podpora danskej vlady takemuto hospodareniu znamenala, ze v sucasnosti je kazda desiata danska rodina clenom niektoreho z mnohych druzstiev vlastniacich veterne turbiny alebo je majitelom vlastnej veternej turbiny. obr. bonus30.jpg Text: Jedna z prvych turbin danskeho vyrobcu Bonus s vykonom 300 kW. NEMECKO Na rozdiel od situacie v USA a Dansku, kde bol velky pocet turbin instalovany zaciatkom 80. rokov, bol vyvoj v Nemecku oneskoreny. Spolkova vlada iniciovala podporne programy az v roku 1989. Pocas prvych siedmych rokov bolo v tejto krajine instalovanych len asi 250 MW vykonu vo veternych elektrarnach. Avsak po prijati zakona, podla ktoreho su elektrarenske spolocnosti vykupujuce elektrinu od nezavislych vyrobcov im povinne platit az 0,17 DM/kWh (pocas prvych 5 rokov, neskor 0,12 DM/kWh), nastal vyrazny obrat. V sucasnosti je Nemecko na prvom mieste na svete nielen v celkovom instalovanom vykone veternych elektrarni ale aj v rocnom prirastku vykonu. Az polovica vykonu veternych elektrarni EU sa nachadza v Nemecku. Len v roku 1999 bolo v tejto krajine instalovanych 1568 MW, co je dvojnasobok instalovaneho vykonu v predoslom roku. Priemerna velkost turbin taktiez vzrastla a dosiahla 937 kW. V roku 1998 bola 785 kW a v roku 1995 len 457 kW. Od roku 1993 predstavuje priemerny rocny prirastok vykonu veternych agregatov v Nemecku 53 % a 7879 turbin rocne vyrobi 8,5 miliard kWh elektrickej energie, co su 2 % spotreby v krajine. V spolkovej krajine Schleswig-Holstein vsak tento podiel predstavuje az 20 %. Veterny priemysel zamestnaval v Nemecku az 25 tisic ludi a v roku 1999 dosiahol obrat vratane exportu 4 miliardy DM. SVET Rozvoj veternych elektrarni vo svete je skutocne burlivy a dnes predstavuje najrychlejsie rastuce odvetvie vyroby elektriny. Do konca roka 1998 bol celkovy celosvetovy vykon instalovanych turbin viac ako 9500 MW a vyrabal dostatok elektriny pre zasobovanie asi 3,5 milion domacnosti. Rozvoj veternej energie vo svete. Svet Europa MW MW 1980 10 - 1985 1020 80 1990 1930 475 1995 4820 2531 1998 9597 6030 V roku 1998 bolo len v Europe instalovanych viac ako 1600 MW veternych turbin a podla niektorych analytikov by mal celkovy instalovany vykon v Europe vzrast do roku 2010 az na 40000 MW. Priemerny vykon turbin taktiez vzrastol z pociatocnych asi 150 kW na 785 kW. Rocny prirastok vykonu predstavoval v Nemecku takmer 1600 MW v roku 1999, v Dansku 300 MW a v USA 235 MW. Predaj elektriny vyrobenej veternymi elektrarnami dosiahol v roku 1998 hodnoty 2 miliardy dolarov. Vacsi vykon a ekonomickejsia vyroba viedli k poklesu cien turbin z 2600 dolarov za kW na asi 800 USD/kW v roku 1998. Vzhladom na narastajucu produkciu, klesajucu cenu turbin a tiez lepsie umiestnovanie turbin klesala aj cena vyrobenej elektrickej energie. Kym v roku 1986 bola priemerna cena vetrom vyrobenej elektriny asi 0,14 USD/kWh v roku 1999 to bolo len 0,05 USD/kWh (asi 2,5 Sk/kWh). Veterna energia sa tak stala konkurencie schopnou v porovnani s klasickymi palivami na mnohych miestach sveta, co je hlavny dovod jej burliveho rozvoja. V poslednych rokoch kazdorocny prirastok predstavuje takmer 30% . Na druhej strane rozvoj jadrovej energie bol mensi ako 1% rocne a rozvoj uholneho priemyslu sa v 90. rokoch prakticky zastavil. Europa sa stala centrom veterneho priemyslu ked az 90% svetovych vyrobcov strednych a velkych turbin ma svoje sidlo na tomto kontinente. Vykon veternych turbin vo svete. Instalovany Instalovany vykon vykon Jun 1999 [MW] Jun 1999 [MW] Nemecko 3390,6 * Finsko 26 USA 2532,8 Brazilia 25 Dansko 1581,3 Francuzsko 19 Spanielsko 1100 Australia 17 India 1013,2 Argentina 13 Holandsko 374 Ceska 12 republika Velka 344 Iran 11 Britania Cina 246 Luxembursko 9 Taliansko 222 Norsko 9 Svedsko 187 Turecko 9 Kanada 82 Polsko 7 Grecko 76 Belgicko 6 Irsko 73 Izrael 6 Portugalsko 60 Juzna Korea 6 Japonsko 47 Egypt 5 Novy Zeland 35 Rusko 5 Rakusko 34 Ukrajina 5 Kostarika 26 Mexiko 3 SVET 11.619,9 * v decembri 1999 dosiahol instalovany vykon 4444 MW. POTENCIAL VETERNEJ ENERGIE Aj napriek pozitivnemu vyvoju su viaceri odbornici presvedceni, ze narast instalovaneho vykonu veternych elektrarni by mohol byt este vacsi. Podla studie "Wind Force 10" by sa veterna energia mohla podielat asi 10 % na celosvetovej vyrobe elektriny v roku 2020 a instalovany vykon by mohol dosiahnut az 1,2 milion MW. Tym by vzniklo asi 1,7 milion novych pracovnych miest. Uvedeny vykon by znamenal vacsiu vyrobu elektriny ako je jej sucasna spotreba v Europe. Celosvetovy potencial veternej energie sa odhaduje na asi 53 trilion kWh, co je asi 17-rat viac ako ciel uvedeny v studii "Wind Force 10". Podla tejto studie by cena vyrobenej elektriny mala klesnut do roku 2020 na 0,025 USD/kWh. Realizovanim takehoto 10%-neho ciela by bolo mozne znizit emisie oxidu uhliciteho o 1,8 miliardy ton v roku 2020. Technologie vyuzivajuce obnovitelne energeticke zdroje sa stali vyznamnym zdrojom novych pracovnych prilezitosti a len v Europskej Unii viedli k vytvoreniu 110 tisic pracovnych miest. Vyroba, vystavba a udrzba veternych agregatov sa na tomto cisle podielala v roku 1997 asi 20 %. Vacsina zo 700 spolocnosti pracujucich v tomto odvetvi su male a stredne podniky. Tym, ze toto odvetvie zaznamenava staly rast rastie aj pocet novovytvorenych miest. Na konci roka 1996 bolo v tomto sektore zamestnanych asi 20 tisic obyvatelov EU na konci roka 2000 to bolo uz 40 tisic. ENERGIA VETRA Najlepsie poveternostne podmienky pre vystavbu veternych turbin su v blizkosti morskych pobrezi a na kopcoch. Dostatocnu intenzitu vyuzitelnu veternymi agregatmi vsak vietor dosahuje aj na inych miestach. Nevyhodou je, ze vietor je menej predvidatelny ako napr. slnecna energia, avsak jeho dostupnost pocas dna je zvycajne dlhsia ako v pripade slnecneho ziarenia. Intenzita vetra je do vysky asi 100 metrov ovplyvnena hlavne terenom a prekazkami. Veterna energia je teda viac miestne specificka ako slnecna energia. V kopcovitom terene sa da ocakavat, ze napr. dve miesta maju rovnaku intenzitu dopadajuceho slnecneho ziarenia avsak intenzita vetra sa moze vzhladom na smer prevladajucich vetrov velmi lisit. Z tohto dovodu je potrebne venovat ovela vacsiu pozornost umiestnovaniu veternych turbin ako slnecnych kolektorov alebo clankov. Veterna energia taktiez vykazuje sezonne zmeny intenzity a je najvacsia v zimnych mesiacoch a najnizsia v lete. Je to presne opacne ako v pripade slnecnej energie, a preto sa slnecna a veterna technologia vhodne doplnaju. Prikladom mozu byt podmienky v Dansku, kde intenzita slnecneho ziarenia dosahuje 100% v lete a len 18 % v januari. Veterne elektrarne tu produkuju 100% energie v januari a asi 55% v juli. obr. windsun.jpg Pre vypocet energie vyrobenej veternym agregatom je potrebne poznat niekolko vztahov. Energia je priamo umerna ploche rotora, tretej mocnine rychlosti vetra a hustote vzduchu. HUSTOTA VZDUCHU Rotor turbiny sa kruti v dosledku tlaku vzduchu na jeho listy. Cim viac vzduchu - tym rychlejsie sa kruti a tym je vyroba energie vacsia. Z fyzikalnych zakonov vyplyva, ze kineticka energia vzduchu je priamo umerna jeho hmotnosti, z coho vyplyva ze energia vetra zavisi na hustote vzduchu. Hustota vyjadruje mnozstvo molekul v jednotke objemu vzduchu. Pri normalnom atmosferickom tlaku a pri teplote 15ø Celzia jeden m3 vzduchu vazi 1,225 kg. Hustota mierne rastie s narastajucou vlhkostou, cim sa vzduch stava hustejsi v zime ako v lete a preto je aj vyroba energie pri rovnakej rychlosti vetra v zime vacsia ako v lete. Hustota vzduchu je vsak jediny parameter, ktory nie je v danych podmienkach mozne menit. PLOCHA ROTORA Rotor (vrtula) veternej turbiny "zachytava" energiu vzduchu, ktory na nan dopada. Je zrejme, ze cim je plocha rotora vacsia, tym viac energie je schopny vyrobit. Nakolko plocha zabrana rotorom narasta s druhou mocninou priemeru rotora je dvakrat vacsia turbina schopna vyrobit styrikrat viac energie. Avsak zvacsovanie priemeru rotora nie je jednoduche, hoci sa to moze na prvy pohlad zdat. Narastajuci priemer vrtule ma za nasledok vacsi tlak na cely system pri danej rychlosti vetra. Aby mohla turbina tento tlak vydrzat je potrebne pouzit pevnejsie mechanicke casti co cely system predrazuje. RYCHLOST VETRA Rychlost vetra je najdolezitejsim parametrom ovplyvnujucim mnozstvo energie, ktore je turbina schopna vyrobit. Narastajuca intenzita vetra znamena vyssiu rychlost rotora a teda vacsiu produkciu energie. Mnozstvo vyrobenej energie zavisi na tretej mocnine rychlosti vetra. Z uvedeneho vyplyva, ze ak sa rychlost vetra zvysi dvojnasobne, tak sa vyroba energie zvysi osemnasobne. obr. vietortrimocnin.jpg Z nasledujucej tabulky je mozne zistit energiu vetra vo W/m2 na zaklade jeho rychlosti pri standardnych podmienkach (suchy vzduch s hustotou 1,225 kg/m3). Pre vypocet bol pouzity nasledujuci vztah podla Danish Wind Turbine Manufacturers Association: E= 0,5 * 1,225 * v3 kde v je rychlost vetra v m/s. v E v E m/s W/m2 m/s W/m2 0 0 12 1058 1 1 13 1346 2 5 14 1681 3 17 15 2067 4 39 16 2509 5 77 17 3009 6 132 18 3572 7 210 19 4201 8 314 20 4900 9 447 21 5672 10 613 22 6522 11 815 23 7452 Priroda nam poskytuje rozdielne poveternostne podmienky, pricom rychlost vetra sa neustale meni. Veterne turbiny su specialne stavane tak, aby boli schopne vyuzit rychlosti vetra od 3 do 30 m/s. Vyssia rychlost by mohla turbinu poskodit, a preto su vacsie turbiny vybavene brzdami, ktore v pripade potreby zastavia otacanie rotora. Mensie turbiny su casto stavane tak, aby boli schopne vyuzit aj rychlosti vetra nizsie ako 3 m/s, pricom niektore z nich su riesene tak, ze v pripade velmi silneho vetra sa natocia do bezpecnej polohy. DRSNOST TERENU Zemsky povrch (teren) so svojou vegetaciou a budovami je dolezitym faktorom ovplyvnujucim rychlost vetra. Mnozstvo prekazok v terene sa casto oznacuje ako jeho drsnost. So zvysujucou sa vyskou nad terenom sa drsnost znizuje a prudenie vzduchu sa stava laminarne, co znamena aj vyssiu rychlost vetra. Vysoko nad zemou (vo vyske okolo jedneho kilometra) rychlost vetra prakticky nie je ovplyvnovana terenom. Naproti tomu v nizsich vyskach je ovplyvnovana velmi silno. Pre vyuzivanie veternej energie je podstatne, ze cim je drsnost terenu vyssia, tym je vietor viac spomalovany. Rychlost vetra je najviac spomalovana lesmi a velkymi mestami, kym na rovinach alebo vodnych plochach prakticky nie je ovplyvnovana. Budovy, lesy a ine prekazky nielen spomaluju rychlost vetra, ale casto vytvaraju aj jeho turbulencie, ktore nepriaznivo vplyvaju na chod turbiny. Pri urcovani charakteru terenu je casto jeho drsnost rozdelovana do tried. Cim vyssia je trieda drsnosti, tym vacsie su prekazky a tym vacsie spomalenie rychlosti vetra. Morska hladina je brana za zaklad a ma triedu drsnosti 0. Trieda Typ terenu drsnosti 0 Vodna plocha 0,5 Uplne otvoreny teren s hladkym povrchom ako je napr. na letiskach. 1 Otvorena polnohospodarska plocha bez plotov s velmi riedko rozostavanymi malymi budovami. Mierne a zaoblene kopce. 1,5 Polnohospodarske plochy s niekolkymi domami do vysky 8 metrov a vzdialenostou medzi nimi asi 1250 metrov. 2 Polnohospodarske plochy s niekolkymi domami do vysky 8 metrov a vzdialenostou medzi nimi asi 500 metrov. 2,5 Polnohospodarske plochy s niekolkymi domami do vysky 8 metrov a vzdialenostou medzi nimi asi 250 metrov. 3 Dediny, male mesta, polnohospodarske plochy s viacerymi vyssimi budovami, lesy a velmi nerovny teren. 3,5 Velke mesta. 4 Velmi velke mesta s vysokymi budovam. TECHNOLOGIA Moderne veterne turbiny sa zvycajne skladaju z nasledujucich komponentov: * Listy rotora * Rotor * Prevody * Generator * Elektronika a regulacne zariadenie. Listy rotora su castou turbiny, ktore zachytavaju energiu vetra. Tvar tychto listov je velmi prepracovany a umoznuje mimoriadne efektivne prenasat silu vetra na rotor. Listy su vyrabane z laminatov, polyesterov alebo inych plastickych materialov. Niektore z nich maju drevenu os. Vsetky tieto materialy sa vyznacuju kombinaciou pevnosti a ohybnosti. Navyse plasty ani drevo nerusia televizny signal v ich okoli. Priemer listov rotora sa pre velke turbiny pohybuje od 25 do viac ako 50 metrov a kazdy list moze vazit aj jednu tonu. Rotor predstavuju listy a centralna os, ku ktorej su pripevnene. Os je pripojena na hlavny prevod systemu. Prevody a loziska su dolezite z hladiska efektivneho prenosu krutiaceho momentu na generator elektrickeho prudu. Generator ma podobnu konstrukciu ako generator v tradicnej elektrarni na fosilne paliva. V mnohych turbinach je cinnost jednotlivych komponentov regulovana elektronicky a tiez moze byt riadena dialkovo. Pouzita elektronika ma za ulohu udrzat rovnake napatie pri meniacich sa otackach generatora. Hoci roznorodost veternych turbin je velka vacsina modernych turbin sa dodava v dvoch konfiguraciach - s horizontalnou alebo vertikalnou osou. obr. rezturbinou.jpg Text: Prierez veternou turbinou. Turbiny s horizontalnou osou su najbeznejsim typom turbin. Velke turbiny maju rotor s dvoma alebo troma listami umiestnenymi na vrchu stoziara. Rotor moze mat aj viac listov. Taketo agregaty s viacerymi listami najcastejsie vyuzivaju male agregaty napr. na cerpanie vody. Snaha o zuzitkovanie energie vetra co najucinnejsie znamena , ze listy rotora musia co najviac zachytavat prudiaci vzduch. Rotor s velkym poctom listov pokryva celu plochu zabranu rotorom pri velmi malych otackach, kym rotor s mensim poctom listom sa musi otacat rychlejsie aby pokryl celu plochu. Teoreticky cim viac by mal rotor listov tym by mal byt ucinnejsi. V skutocnosti sa vsak listy rotora vzajomne ovplyvnuju a velky pocet listov spomaluje otacky. Na druhej strane vsak vacsi pocet listov dava vyssi pociatocny moment krutenia, co vyuzivaju male agregaty startujuce uz pri nizkych rychlostiach vetra. obr.turbinetypes.jpg Turbiny s vertikalnou osou maju vertikalne umiestnenu rotujucu os. Listy rotora su dlhe, zaoblene a pripevnene k vezi na oboch koncoch - hore aj dole. Vo svete neexistuje vela vyrobcov takychto turbin a ich design vychadza z navrhu francuzskeho konstruktera G. Darrieusa, po ktorom sa takato konstrukcia tiez nazyva. Napriek rozdielnej konstrukcii turbin s horizontalnou a vertikalnou osou je ich mechanika prakticky rovnaka. Rychlost otacania listov je prenasana na generator pomocou prevodov. Prevody su potrebne na to, aby bolo mozne ucinne vyuzit meniacu sa rychlost vetra. V sucasnosti vsak prebieha vyvoj turbin bez prevodov, co by znamenalo znacne znizenie narokov na ich konstrukciu i cenu. Niektore turbiny su konstruovane tak, ze sa natacaju do smeru vetra. Obidva typy (natacane i nenatacane) maju vsak niekolko vyhod i nevyhod. Lepsie vyuzitie sily vetra pri natacanych turbinach si vyzaduje komplikovanejsie loziska i dalsie zariadenia, co v konecnom dosledku vedie k nizsej spolahlivosti. Turbiny s pevne fixovanym rotorom su jednoduchsie a nevyzaduju az taku udrzbu ako natacacie systemy. Na druhej strane vsak vyroba energie je o nieco nizsia ako v porovnatelnej natacanej turbine. obr. vertikal.jpg Text: Iny typ turbiny s vertikalnou osou. VELKE TURBINY Hoci princip vyroby elektriny veternymi agregatmi sa zda byt jednoduchy, vyrobit kvalitnu turbinu nie je jednoduche. O tom sa presvedcili viaceri vyrobcovia v nedavnej minulosti aj na Slovensku. Na rozdiel napr. od solarnych clankov, ktore vdaka tomu, ze nemaju ziadne pohyblive casti su vnutorne spolahlive, veterne turbiny silne zavisia na kvalite ich konstrukcie. Moderne turbiny sa dodavaju na trh vo viacerych prevedeniach lisiacich sa hlavne svojim vykonom. Najmensie turbiny s vykonom od 100 W sa pouzivaju napr. na cerpanie vody alebo dodavanie elektriny do baterii. Velke turbiny s vykonom nad 50 kW dodavaju zvycajne elektrinu do verejnej elektrickej siete. Velka vacsina dnesnych turbin ma horizontalnu os, je vybavena troma listami s priemerom 15-50 metrov a elektricky vykon sa pohybuje od 50 kW do 1,5 MW. Tieto turbiny su casto stavane v skupinach a vytvaraju tzv. veterne farmy. Napatie, ktore turbina generuje ma zvycajne 690 voltov a pomocou transformatorov je menene na vysoke napatie pouzivane v elektrickej sieti (zvycajne 10-30 kV). Pocas kratkej historie vyvoja veternych turbin dali elektrarenske spolocnosti jasne najavo, ze maju zaujem hlavne o velke tzv. megawattove turbiny. To viedlo vyrobcov k viacerym pokusom vyvinut taketo turbiny uz zaciatkom 80-tych rokov. Okrem uz uvedenej 3,2 MW-ovej turbine na Hawaii vyvinutej vdaka podpore americkeho ministerstva energetiky, boli dalsie megawatove turbiny postavene aj v Dansku (2 MW v Tjaereborgu), Svedsku (3 MW v Nasudden) a Nemecku (3 MW Growian). Napriek tomu, ze viacere taketo turbiny zlyhali, ukazali cestu ktorou sa dnes vyvoj nezadrzatelne ubera. Vela vyrobcov v sucasnosti investuje obrovske financne ciastky do ich vyvoja. Niektore 1 a 1,5 MW-ove turbiny uz spolahlivo pracuju niekolko rokov. Danska firma Nordex uspesne predava 1,5 MW-ovu turbinu uz od roku 1997. Ostatni vyrobcovia sa snazia o postupne zvysovanie vykonu svojich turbin, z ktorych najuspesnejsie v roku 1999 mali vykony 500-800 kW. Vacsina vyrobcov vychadza pri vyvoji velkych turbin z poznatkov overenych pri vyrobe prvych malych turbin. Uspesnymi vyrobcami megawatovych turbin su dnes nemecky Tacke Windtechnik a danske firmy Enercon, Nordtank a Vestas. Kazda z tychto firiem dnes ma vo svojej ponuke vacsiu ako 1 MW-ovu turbinu. obr. wturbine.jpg Text: Preprava stoziaru 1,5 MW-ovej veternej turbiny. Projektovanie a umiestnovanie tychto velkych turbin predstavuje tiez nove problemy. Hlavne umiestnovanie v oblastiach, kde uz stoja mensie turbiny (dobre veterne miesta), byva komplikovane z hladiska vizualnej harmonizacie s okolim. V Dansku bolo pripravenych viacero odbornych studii, ktore sa zaoberaju prave problemom umiestnovania veternych turbin do krajiny. Vysledky tychto studii ukazuju, ze hlavne v pristavoch a priemyselnych oblastiach existuje velky potencial pre ich vystavbu. Vyroba elektrickej energie megawatovymi turbinami je obrovska. Bezna turbina s vykonom 1 MW dokaze pri priemernej rychlosti vetra asi 9 m/s vyrobit viac ako 5 milion kWh za rok. Turbina s vykonom 1,3 MW vyrobi na takomto mieste az 7 milion kWh za rok. Porovnanie MW-ovych turbin. Vykon 1 MW Vykon 1,3 MW Priemer rotora 54 m 60 m Plocha zabrana rotorom 2,290 m2 2,828 m2 Rychlost roztocenia a 3,4 / 25 m/s 3,5 / 25 m/s. zastavenia Maximalna rychlost vetra 70 m/s 70 m/s Doba zivotnosti turbiny 20 rokov 20 rokov Dlzka listu 26,0 m. 29,0 m. Material listov rotora Laminat tvrdeny Laminat tvrdeny polyesterom polyesterom Hmotnost rotora 19 ton 19 ton Hmotnost prevodovky 10,5 ton 12,5 ton Hmotnost generatora 4,6 ton 6,8 ton Hmotnost 70 metrovej veze 104 ton 104 ton VYROBA ENERGIE Dolezitou charakteristikou veternej turbiny je jej menovity vykon. Tato hodnota ma tiez suvislost s mnozstvom energie (napr. v kWh), ktore turbina vyrobi pri maximalnej ucinnosti. Tak napr. 500 kW turbina vyrobi 500 kWh za hodinu cinnosti pri maximalnej rychlosti vetra napr. 15 metrov za sekundu (m/s). Na zaklade skusenosti vyplyva, ze typicka turbina s menovitym vykonom 600 kW vyrobi do roka asi 500.000 kWh pri priemernej rychlosti vetra 4,5 m/s. Pri priemernej rychlosti vetra 9 m/s je to az 2.000.000 kWh. obr. 500kwvykonvsrychlost.jpg Text: Vykonova charakteristika 500 kW-ovej veternej turbiny v zavislosti na priemernej rychlosti vetra. Potencialne mnozstvo vyrobitelnej energie nie je mozne jednoducho vypocitat nasobenim vykonu a priemernej rychlosti vetra. Pri vypocte totiz hra dolezitu ulohu doba pocas ktorej ma turbina dostatok vetra pre vyrobu energie. Tato doba sa moze teoreticky pohybovat od 0 do 100 %, v praxi sa pohybuje od 20 do 70 %, pricom pre vacsinu turbin je tato hodnota (vytazitelnost) na urovni 25-30%. Vytazitelnost vyjadruje pomer medzi teoretickym maximom vyroby (365 dni v roku po 24 hodin) a skutocnou vyrobou energie v danej lokalite. Napriklad pre 600 kW turbinu, ktora do roka vyrobi 2 miliony kWh je tato hodnota = 2.000.000 : (365,25 * 24 * 600) = 2.000.000 : 5 259 600 = 0,38 alebo 38 %. Z uvedeneho prikladu vyplyva, ze velmi dolezitu ulohu popri menovitom vykone turbiny hra jej umiestnenie. Vo vseobecnosti byva vyhodnejsie umiestnovat turbiny na vyssie polozene miesta resp. predlzovat vysku veze, nakolko s narastajucou vyskou sa znizuje vplyv okolitych prekazok na rychlost vetra. Turbiny vyssie ako 50 metrov su vsak mimoriadne narocne na pevnost materialov. Vo veternych farmach su jednotlive turbiny umiestnovane do vzdialenosti 5-15 nasobku priemeru rotora, cim sa obmedzuje ovplyvnovanie turbin v dosledku turbulencie vetra. obr. 500kwvyrobavsrychlost.jpg Text: Rocna vyroba elektriny 500 kW-ovou turbinou v zavislosti na priemernej rychlosti vetra. VETERNE TURBINY NA MORI Uspesny rozvoj veternych turbin, hlavne na pobreziach mori, viedol postupne k snahe umiestnovat turbiny na otvorenom mori. Suviselo to s tym, ze na mori dosahuje rychlost vetra vyssie urovne ako na susi, kde sa vyhodne lokality postupne stali uzkoprofilovymi. Na otvorom mori su vhodne podmienky pre vystavbu hlavne na miestach s plytcinami, ktore nie su velmi vzdialene od pobrezia. Za vhodne miesto je povazovana hlbka morskeho dna az do 30 metrov a vzdialenost od pobrezia do 30 km. Takychto miest je velmi vela predovsetkym v Severnom mori. Rychlost vetra je vsak rozhodujuci parameter, ved jej narast o 10 % znamena az o 30 % viac vyrobenej energie ako napr. na susi. Predpoklada sa, ze v buducnosti bude mozne ist do este vacsich hlbok a umiestnovat turbiny na plavajuce plosiny, cim by bolo mozne efektivne vyuzivat aj Stredozemne more a ine miesta mimo Europy. Potencialna vyroba elektrickej energie na takychto miestach moze byt obrovska. Na zaklade studie vypracovanej v ramci programu Europskej Unie JOULE vyplyva, ze vyroba len v Europskych primorskych oblastiach by mohla presiahnut dvojnasobok spotreby elektriny v EU. obr. windmore.jpg S umiestnovanim veternych turbin na otvorenom mori sa zacalo na zaciatku 90. rokov. V tomto obdobi bola aj preukazana spolahlivost pouzitych technologii a ekonomickost vyroby. Veterne turbiny na mori sa vyznacuju aj mensimi negativnymi vplyvmi na svoje okolie (hluk). Taketo elektrarne maju pred sebou obrovsku perspektivu a to hlavne pre krajiny s vysokou hustotou obyvatelstva a teda nedostatkom vhodnych lokalit pre vystavbu veternych turbin na susi. Nevyhodou je, ze elektrarne na mori sa vyznacuju vyssimi nakladmi na vystavbu, avsak tie su casto vykompenzovane vyssou vyrobou elektrickej energie. Danske elektrarenske spolocnosti oznamili, ze maju v zaujme do roku 2005 vybudovat az 4000 MW veterneho vykonu na mori. Tieto zdroje by boli schopne rocne vyrobit az 13,5 mld. kWh elektrickej energie, co je asi 40 % spotreby elektriny v krajine. Pre vystavbu veternych turbin boli vybrane styri oblasti s rozlohou od 135 do 500 km2 a hlbkou morskeho dna 5 - 15 m. Predpokladana cena vyrobenej elektriny je 0,05 USD/kWh (asi 2,5 Sk/kWh) pri 20-rocnom uvere s 5%-nym urokom. Do roku 1998 bolo v Dansku, Svedsku a Holandsku vybudovanych 5 veternych fariem na otvorenom mori. Tieto farmy boli demonstracnymi projektmi s turbinami s maximalnym vykonom 600 kW. Su ukotvene na morskom dne v hlbke mensej ako 10 m a nachadzaju sa vo vzdialenosti 40 m az 6 km od pobrezia. Cena vyrobenej energie je vsak vyssia ako pre porovnatelne veterne farmy s velmi dobrymi poveternostnymi podmienkami na susi. Je ale porovnatelna s cenou vyrobenej energie na priemerne veternom mieste na susi a je tiez konkurencieschopna s inymi zdrojmi energie. obr. Vindeby.jpg Text: Veterna farma na mori vo Vindeby. Prvou veternou farmou na mori sa stali turbiny instalovane severne od ostrova Lolland v juznej casti Danska nedaleko obce Vindeby. Farma vo Vindeby v Baltickom mori bola vybudovana v roku 1991 elektrarenskou spolocnostou SEAS a pozostava z jedenastich 450 kW turbin vzdialenych 1,5 az 3 kilometre od pobrezia. Turbiny boli upravene tak, aby v nich bolo mozne umiestnit vysokonapatove transformatory. Veterna farma pracuje bez problemov a rocne vyrobi priblizne o 20 % energie viac ako porovnatelna farma na susi. Druha veterna farma na mori bola vybudovana medzi polostrovom Jutland a malym ostrovom Tuno v Dansku. Tuno Knob, ako sa farma nazyva, pracuje od roku 1995 a jej majitelom je elektrarenska spolocnost Midtkraft. Je umiestnena na mori s hlbkou 3-5 m a je dolezita hlavne z pohladu sledovania vplyvu turbin na zivotne prostredie. Tuno Knob je totiz miestom, kde sidlia velke mnozstva vtakov. Farma pozostava z desiatich 500 kW-ovych turbin, pricom kazda ma priemer rotora 39 metrov. Turbiny su ukotvene na morskom dne a pripojene na elektricku siet na pevnine 6 km dlhym podmorskym kablom. Kazda turbina je kontrolovana dialkovo a zodpovedny pracovnik moze kontinualne sledovat jej prevadzku z operacneho centra v obci Hasle. Udrzba turbin sa vykonava dvakrat do roka. Hluk pochadzajuci z veternej farmy merany na pobrezi najblizsieho ostrova je na nizsej urovni ako je hladina sepotu (15 dB). Na pevnine je hluk nemeratelny. Cela veterna farma funguje velmi spolahlivo a kazda turbina rocne vyrobi viac ako 1,3 milion kWh, co je o 40% viac ako sa povodne predpokladalo. Cena vyrobenej elektriny je na urovni 0,49 DKr/kWh (2,8 Sk/kWh). Naklady na vystavbu dosiahli 78 milion DKr. Veterne farmy umiestnene na otvorenom mori v roku 1999. Lokalita Uvedenie do Pocet turbin Instalovany vykon prevadzky MW Vindeby , Dansko 1991 11 x 450 kW 4,95 Medemblik, Holandsko 1994 4 x 500 kW 2 Tuno Knob, Dansko 1995 10 x 500 kW 5 Dronten, Holandsko 1996 28 x 600 kW 16,8 Bockstigen, Svedsko 1998 5 x 500 kW 2,5 MALE TURBINY Male veterne turbiny sa vo svete vyuzivaju vacsinou ako samostatne energeticke zdroje. V niektorych pripadoch su vsak aj tieto male systemy pripajane na verejnu elektricku siet, co umoznuje majitelovi takehoto systemu znizit naklady na nakup elektriny a sucasne v pripade prebytku dodavat nim vyrobenu elektrinu do siete. Odber a dodavanie do siete sa vykonava pomocou automatickych prepinacov. Meradlo spotreby elektriny je zvycajne zapojene tak, ze pri dodavani elektriny do siete sa toci naopak. obr. malaturb.jpg Text: Mala veterna turbina s vykonom 900 W. Samostatne pracujuce veterne systemy sa uplatnuju v osamotenych domoch (vzdialenych od siete), v clnoch, na farmach alebo tiez v malych obciach. Kazdy takyto system moze byt nielen prakticky ale aj ekonomicky pre uzivatela. Tieto systemy maju velky vyznam aj pre rozvojove krajiny s nizkou urovnou infrastruktury a riedkou sietou elektrickych vedeni, ktore vzhladom na nedostatok financii budu len velmi tazko dobudovane. Pre miliony ludi v rozvojovych krajinach, ktori su v sucasnosti odkazani na kerozinove lampy alebo osvetlenie napajane z baterii, su jednoduche a lacne male veterne turbiny idealnym riesenim. Taketo turbiny su v sucasnosti vyrabane viacerymi firmami v sirokom rozsahu vykonov od niekolkych wattov do niekolko tisic W. Mala veterna turbina s vykonom od 100 do 500 W je na dobrom veternom mieste (s priemernou rychlostou vetra viac ako 5 m/s) schopna velmi lacno dodavat energiu do baterie a nasledne zabezpecovat energiu napr. na osvetlenie, napajanie elektrospotrebicov ako su radio alebo televizor. Cena niekolko sto dolarov je vsak problemom pre ludi z rozvojovych krajin. V minulosti (zaciatkom 70. tych rokov) bola spolahlivost tychto turbin problematicka. V sucasnosti su vsak na trhu turbiny, ktore vydrzia aj tie najdrsnejsie podmienky a vyzaduju si minimalnu udrzbu (raz za 5 rokov). Spolahlivost tychto systemov sa vyrovna spolahlivosti napr. systemov so slnecnymi clankami. Pouzivanie malych veternych turbin sa pre izolovanych uzivatelov ukazalo vyhodnejsie ako pouzivanie napr. naftovych generatorov alebo predlzovanie elektrickeho vedenia. Vyhodou je, ze veterne systemy su nielen relativne male, ale je ich mozne rychlejsie vybudovat. V mnohych krajinach je predlzenie elektrickeho vedenia k odberatelovi o jeden kilometer drahsie ako naklady na vybudovanie maleho veterneho systemu. Hoci veterne turbiny sa vyznacuju vyssimi investicnymi nakladmi ako napr. naftove generatory, ich prevadzka je prakticky bezplatna a majitelovi odpadaju problemy so zhananim a dopravou paliva. Zo skusenosti vyplyva, ze pre dennu spotrebu na urovni jednej kWh je energia vyrobena veternou turbinou lacnejsia ako energia z naftoveho generatora, predlzenie elektrickeho vedenia alebo energia zo slnecnych clankov. Plati to pre miesta, kde rychlost vetra v rocnom priemere presahuje 4 m/s. Takato rychlost vetra je uplne bezna na mnohych miestach sveta. Pre pokrytie vyssej dennej spotreby energie sa ekonomika veternych turbin dalej zlepsuje. Pre turbinu s vykonom 10 kW je uz rychlost vetra 3-3,2 m/s dostatocna na to, aby veterna energia bola lacnejsia ako ine alternativy. Na svete je len malo miest, kde je priemerna rychlost vetra nizsia ako 3 m/s. Naklady na kupu malych veternych turbin, vztiahnute na jeden watt s narastajucim vykonom klesaju. Napriklad ceny turbin s vykonom okolo 100 W vychadzali v roku 1999 na 8 USD/W, pre turbiny s vykonmi okolo 300 W priblizne 2,5 USD/W a pre 10 kW-ovu turbinu cena vychadzala na 1,50 USD/W. obr. antartic.jpg Text: Mala turbina v Antarktide. O tom, ze male veterne systemy su oblubene aj v menej rozvinutych krajinach svedci aj priklad z Mongolska, kde je instalovanych az 50 tisic takychto zariadeni. Tento uspesny rozvoj bol vysledkom nielen priaznivych klimatickych podmienok, ale aj domacej podpory. Minimalna rychlost vetra 5 m/s je dosahovana pocas celeho roka na mnohych miestach obrovskych pasienkov a poskytuje tak nevycerpatelny zdroj energie pre miestnych obyvatelov - nomadov. Energia vetra je vyuzivana hlavne na vyrobu elektriny (osvetlenie, rozhlas, televizia). V Mongolsku sa vytvoril konkurencny trh vyrobcov, ktori ponukaju male turbiny v prijatelnej cene, navyse tu existuje aj znacna financna podpora pri ich kupe az 50 % nakladov je hradenych zo statnych resp. obecnych zdrojov. KOMPONENTY MALYCH TURBIN Komponenty, z ktorych sa system s malou veternou turbinou sklada, su v podstate rovnake ako v pripade systemov so slnecnymi clankami. Vacsina turbin je navrhnuta pre nabijanie baterii a dodavaju sa uz s vlastnym regulatorom dobijania, ktory zabranuje prebitiu baterii. Samotna turbina sa sklada z listov rotora, alternatora a regulacnej elektroniky. Listy su zvycajne vyrobene z laminatu a niekedy su tvarovane tak, aby sa pri velmi velkej rychlosti vetra, ktora by mohla cele zariadenie poskodit, cely rotor natocil do polohy, ktora ho zastavi. Alternator obsahuje permanentny magnet a zvycajne nevyzaduje ziadnu udrzbu. Regulacna a kontrolna elektronika zabezpecuje maximalnu ucinnost a bezpecnost celeho zariadenia. Udrzuje zataz alternatora na takej urovni, aby sa rotor nekrutil viac ako je povolene maximum, a to bez ohladu na stav vybitia baterie. Pri dobijani baterie regulator pravidelne kontroluje stav vedenia, upravuje napatove straty a monitoruje dobijanie. Po tom, co sa dosiahne stav nabitia regulator odstavi dobijanie, aby nedoslo k poskodeniu baterie. obr. smallwind.jpg Text: Niektore male veterne turbiny su namiesto brzd vybavene natacacim zariadenim, ktore agregat nakloni v pripade, ked rychlost vetra presiahne stanovenu hranicu. CERPANIE VODY Veterna energia sa velmi efektivne vyuziva na cerpanie vody. Vyplyva to z toho, ze skladovat vodu je jednoduchsie ako skladovat energiu napr. v baterii. Do roku 2000 pracovalo vo svete asi 100 tisic malych veternych turbin zapojenych len na cerpanie vody. Vacsina z nich pracovala v odlahlych a neelektrifikovanych farmach, kde dodavaju tak pitnu vodu ako aj vodu uzitkovu pre dobytok alebo na zavlazovanie. Niekedy sa veterne turbiny kombinuju s inymi zariadeniam, ktore pri obmedzenej kapacite skladovacich nadrzi su schopne cerpat vodu v pripade nedostatku vetra. Takymito zariadeniami mozu byt aj rucne pumpy alebo naftove generatory. Vo svete existuje viacero vyrobcov dodavajucich cele veterne systemy na cerpanie vody. Turbiny su skonstruovane tak, aby sa ich prevadzka spustila uz pri rychlosti vetra od 2 m/s do 4 m/s. Cerpanie spodnej vody je mozne az do hlbky 1000 metrov. Typicke veterne cerpadlo s rotorom s priemerom 3 m dokaze vycerpat az 2000 litrov vody za hodinu z hlbky 10 metrov a pri rychlosti vetra 3 m/s. Turbina s priemerom rotora 7 metrov dokaze vycerpat az 8000 litrov za hodinu pri tych istych podmienkach. Veterne cerpadla sa vyuzivaju vo svete aj na zavlazovanie. Vzhladom na premenlivost vetra je to vsak spojene s istymi problemami a na rozdiel od cerpania vody do zasobnika nemusi turbina vzdy dodavat tolko vody kolko je jej potrebne. V mieste aplikacie je nevyhnutne mat nielen dostatok vetra, ale mat aj malo tzv. bezveternych dni. Vo vseobecnosti sa tieto zariadenia uplatnuju v miestach s priemernou rychlostou vetra viac ako 4 m/s. Na rozdiel od tradicnych cerpadiel sa veterne turbiny vyznacuju sice vyssimi vstupnymi nakladmi avsak nizsimi (prakticky nulovymi) prevadzkovymi nakladmi, co robi z nich robi velmi pritazlive a ekonomicky vyhodne riesenie na mnohych miestach sveta. obr. ruzica.jpg Text: Veterny agregat pouzivany na cerpanie vody. TELEKOMUNIKACIE Vietor je idealnym zdrojom pre napajanie telekomunikacnych zariadeni, ktore su velmi casto instalovane vo vyssich a hlavne odlahlych miestach. Dobre poveternostne podmienky vsak znamenaju, ze na tychto miestach sa vyskytuju casto aj velmi vysoke rychlosti vetra, ktore by mohli turbinu poskodit, a preto sa pouzivaju len velmi odolne zariadenia. DOBIJANIE BATERII Napajanie malych elektrospotrebicov ako su ziarovky, radio alebo televizor je relativne velmi jednoduche pomocou baterie dobijanej veternou turbinou (alebo inym zdrojom). Suvisi to s tym, ze veternu energiu je mozne velmi lahko skladovat v baterii, z ktorej je mozne energiu cerpat v case potreby. Mnoho malych turbin vyraba napatie 14 alebo 28 V (niektore vacsie turbiny produkuju vyssie napatia). Vystupne napatie z baterie (12 V resp. 24 V) je mozne vyuzit priamo a dodavat energiu elektrospotrebicom na jednosmerny prud alebo menit pomocou menica na striedavy prud s napatim 220 V, ktory vyuziva vacsina domacich elektrospotrebicov. Takato transformacia ma vsak za nasledok stratu casti vyrobenej energie. obr. malvetsys.jpg Text: Schema samostatneho elektrickeho systemu s malou veternou turbinou. VYROBA TEPLA Male veterne turbiny je tiez mozne vyuzit na pripravu teplej vody. Tieto zariadenia dodavaju jednosmerny prud, ktory vyuziva elektricka spirala umiestnena v zasobniku vody. Spirala vodu ohrieva, pricom zasobnik tu funguje ako bateria skladujuca energiu. Je evidentne, ze skladovanie teplej vody je lacnejsie ako skladovanie energie v bateriach. Najjednoduchsie veterne systemy su vybavene termostatom vypinajucim zariadenie, aby nedoslo k zovretiu vody. Elektricka spirala sa vzdy dimenzuje na specificky vykon turbiny t.j. pre turbinu s vykonom 1 kW ma spirala vykon 1 kW. HYBRIDNE SYSTEMY Hybridnym systemom je napr. kombinacia solarneho a veterneho zariadenia, ktore sa vhodne doplnaju v priebehu roka. V zime je totiz vyssia intenzita vetra ako v lete, kedy je mozne vyuzivat slnecnu energiu napriklad na ohrev vody solarnymi kolektormi. Pri vyrobe elektriny solarnymi clankami v kombinacii s veternou turbinou je mozne vyrazne odstranit casove variacie oboch zdrojov. Kombinacia tychto dvoch systemov je vhodnym riesenim pre izolovane samostatne pracujuce zariadenia. Nevyhodou slnecnych clankov je, ze produkuju ovela viac energie v lete ako byva potrebne, co pri dimenzovani ich vyroby vedie k zbytocnym nakladom na system. Skladovanie energie byva tiez velmi nakladne. Preto je vhodne ich kombinovat s veternymi turbinami, ktore maju svoje minimum vyroby prave v lete. Dolezitou ulohou pri navrhovani hybridneho systemu je dimenzovanie vykonu, analyza spotreby energie v priebehu roka a zhodnotenie miestnych podmienok. obr. hybridvetfv.jpg Text: Schema hybridneho systemu skladajuceho sa z malej veternej turbiny a slnecnych clankov vyrabajucich elektricku energiu. ENVIRONMENTALNE Dosledky vyuzivania veternej energie Na mnohych miestach sveta su veterne turbiny prijimane ako ekologicke riesenie problemu vyroby elektrickej energie. Podobne ako v inych oblastiach aj v tomto pripade nie je vyroba uplne bez dosledkov na okolite zivotne prostredie. Aj tu je vsak potrebne rozlisovat medzi malymi a velkymi turbinami. Male turbiny nijako neovplyvnuju okolite prostredie. V pripade vacsich turbin sa ako problemove parametre uvadzaju hluk, vizualny efekt resp. rusenie elektromagnetickeho pola. HLUK Hluk, ktory vytvaraju veterne turbiny, vznika ako dosledok turbulencie vzduchu pri prechode vrcholu listu rotora okolo stoziara turbiny a tiez ako dosledok chodu prevodovky. Pretoze tento nizko frekvencny hluk je znakom neefektivnosti a tiez s ohladom na staznosti obyvatelov, vyrobcovia sa tymto problemom intenzivne zaoberaju. Vysledkom bolo znacne znizenie hlucnosti modernych turbin. Za kriticku hladinu hluku je povazovanych 40 dBA (decibel), co je uroven pri ktorej je mozne spat. Tato uroven sa zvycajne dosahuje vo vzdialenosti mensej ako 250 metrov od velkej veternej turbiny. Uroven akceptovatelnej hladiny hluku je vsak velmi individualna. Je evidentne, ze majitel turbiny vnima hluk ako znak vyroby a teda zvyseneho prijmu, kym nezainteresovani obyvatelia mozu mat iny nazor. Vo viacerych krajinach existuju legislativne normy pre umiestnovanie vacsich turbin v blizkosti ludskych obydli. obr. 500kwhlukvsvzdial.jpg Text: Charakteristika hlucnosti 500 kW-ovej veternej turbiny v zavislosti na vzdialenosti. VIZUALNY EFEKT Veterne turbiny su viditelne z velkej vzdialenosti a niektorymi skupinami obyvatelstva su povazovane za rusive momenty v reliefe krajiny. Pravdou vsak je, ze krajina byva velmi casto zastavana inymi vysokymi objektmi napr. stoziarmi elektrickeho vedenia, voci ktorym sa kritika neozyva. Okrem negativneho ovplyvnovania vizualneho dojmu z okolitej krajiny sa niekedy uvadza aj problem suvisiaci s rizikom pre pilotov malych lietadiel lietajucich nizko nad zemou. Pre nich vysoke stoziare turbin mozu byt niekedy nebezpecne. VTAKY Niekedy sa ako problem spojeny s veternymi turbinami udavaju aj kolizie vtakov s tymito zariadeniami. Skutocnostou je, ze vtaky narazaju do budov, stoziarov elektrickeho vedenia a inych vysokych objektov. Tiez su zabijane autami a inymi dopravnymi prostriedkami. Ako ukazuju studie z Danska vtaky zriedkavo vrazaju do veternych turbin. Jedna z tychto studii bola zamerana na vplyv 2 MW-ovej turbiny s priemerom rotora 60 metrov v Tjaereborgu. Radarove vysledky ukazali, ze vtaky mali vo dne v noci tendenciu vyhnut sa turbine a to uz vo vzdialenosti 100-200 metrov pred nou a preletiet okolo nej v bezpecnej vzdialenosti. V Dansku dokonca existuju turbiny na stoziaroch ktorych si niektore druhy vtakov vytvorili hniezda (sokol). Jedinym znamym miestom, kde doslo ku koliziam vtakov s turbinami je Altamont Pass v Kalifornii. V tejto oblasti niekolko stoviek turbin prakticky vytvorilo "veternu stenu" a doslova uzatvorilo priesmyk, cim vyznamne ovplyvnili podmienky pre bezpecny pohyb vtakov. Podla danskeho ministerstva zivotneho prostredia je vysokonapatove elektricke vedenie vacsim rizikom pre vtaky ako samotne turbiny. Hoci niektore vtaky si na turbiny zvyknu skor a ine neskor byva zvykom, ze pred vystavbou veternych parkov sa posudzuje ich vplyv na migraciu vtakov v danom mieste. Vysledkom trojrocnej studie vykonanej v danskej veternej farme Tuno Knob je, ze turbiny stavane na otvorenom mori nemaju ziadny negativny vplyv na vtakov. RUSENIE ELEKTROMAGNETICKEHO ZIERENIA Televizne, radiove i radarove vlny (elektromagneticke ziarenie) su casto rusene elektrickymi vodicmi. Preto vsetky kovove casti rotujucich turbin mozu predstavovat iste riziko. V sucasnosti sa vsak listy rotorov vyrabaju len z plastov a dreva, ktore neovplyvnuju elektromagneticke ziarenie. Ani turbiny umiestnene v blizkosti letisk nemaju preukazatelny vplyv na radarove stanice. PRAVIDLA PRI VYSTAVBE TURBIN Kedze veterne turbiny musia konkurovat inym zdrojom energie musia byt hlavne ekonomicky konkurencie schopne. Vyzaduje sa od nich aby pokryvali spotrebu energie pocas celeho dna a pri minimalnych nakladoch. Pri navrhovani turbin je zvycajne potrebne zistit dve veci : kolko energie potrebujeme a aka je priemerna rychlost vetra v danom mieste vo vyske rotora turbiny. Veterne turbiny kriticky zavisia na polohe a dostatku vetra. Niekedy sa pozorovatelovi moze zdat, ze miesto je skutocne veterne avsak bez podrobneho celorocneho monitorovania rychlosti vetra sa ziadna vacsia investicia do turbiny zvycajne nerobi. Kedze taketo monitorovanie moze byt dost drahe robi sa hlavne pri vystavbe vacsich turbin. Pre male turbiny je mozne spolahnut sa aj na odhad. Rychlost vetra je vsak v danom mieste ovplyvnovana aj prekazkami a drsnostou terenu. Pred umiestnenim veternej turbiny je preto potrebne analyzovat vplyv aj tychto parametrov. UMIESTNOVANIE TURBIN Bezne sa veterne turbiny umiestnuju na kopcoch a miestach vycnievajucich nad okolitym terenom. Byva vyhodne ked je turbina umiestnena v smere prevladajucich vetrov s minimom prekazok v jej okoli. Na kopcoch je sice rychlost vetra najvyssia avsak casto tu dochadza k tomu, ze vietor sa staca kym dosiahne vrchol kopca. Vietor tu tiez byva dost nepravidelny, ked prechadza turbinou. V pripade strmych kopcov alebo nerovnych povrchov moze dochadzat k znacnym turbulenciam, ktore mozu znizit pozitivny efekt z vyssej rychlosti vetra. PREKAZKY A DRSNOST TERENU Vzdialenost medzi prekazkami v terene a turbinou je velmi dolezita s ohladom na vytvorenie zavetria, ktore ovplyvnuje vyrobu energie. Vo vseobecnosti sa tienenie znizuje, ked sa zvacsuje vzdialenost medzi prekazkou a turbinou, podobne ako sa dym z komina rozptyluje vo vacsej vzdialenosti od neho. Aj na otvorenom mori dochadza k ovplyvnovaniu rychlosti vetra a to az do vzdialenosti 20 km od prekazok, ktorym moze byt napr. ostrov. Vo vseobecnosti plati, ze ak je turbina umiestnena blizsie ako je 5-nasobok vysky prekazky, je vysledna situacia velmi neista a zavisi na presnej geometrii prekazky. Drsnost terenu medzi prekazkou a turbinou ma tiez vplyv na tieniaci efekt. Teren s nizkou drsnostou dovoluje vetru prechadzat okolo prekazok bez toho, aby dochadzalo k jeho ovplyvnovaniu za prekazkou. obr. prekazka.jpg TIENENIE TURBINOU Kedze veterna turbina vyraba energiu z vetra musi mat vietor za turbinou mensiu energiu ako pred turbinou. Tato skutocnost priamo vyplyva z pravidla, ze energia sa nemoze ani vytvarat ani spotrebovavat - moze byt len premienana z jednej formy na druhu. Veterna turbina bude vzdy predstavovat prekazku pre ine turbiny umiestnene za nou resp. v jej blizkosti. Za jej chrbtom sa vytvara dlhy prud turbulentneho a spomaleneho vetra. Turbiny vo veternych parkoch su z tohto dovodu rozmiestnovane vo vzdialenosti min. trojnasobku priemeru rotora, aby sa vplyv turbulencii obmedzil na minimum. V smere prevladajuceho vetra su turbiny rozmiestnovane v este vacsich vzdialenostiach. Turbulencie nielen obmedzuju vyrobu energie turbinou, ale znamenaju pre nu aj vacsiu mechanicku zataz a rychlejsie opotrebovanie niektorych jej casti. PRIEMERNA RYCHLOT VETRA Informacia o rychlosti vetra v danej lokalite je nesmierne dolezita z hladiska spravneho umiestnenia turbiny. V praxi sa vyuziva hlavne udaj o priemernej celorocnej rychlosti vetra. Kratsie obdobia ako napr. mesacne alebo denne priemery sa vyuzivaju pri velmi preciznej analyze podmienok hlavne v pripadoch kedy je dolezita doba medzi dostatkom vetra a pozadovanou vyrobou energie. Casove zmeny rychlosti vetra v danom mieste sa udavaju ako relativna pravdepodobnost vyssej ci nizsej rychlosti vo vztahu k priemernej rychlosti. Typicke rozdelenie rychlosti vetra (nazyvane tiez Rayleighovo rozdelenie, alebo specialne Weibullovo rozdelenie) znamena, ze je len mala pravdepodobnost bezvetria resp. vetra s dvojnasobnou rychlostou ako je priemerna. Najcastejsie sa vyskytuju rychlosti na urovni 75% priemernej rychlosti. obr. weibull.jpg Text: Weibullovo rozdelenie pre priemernu rychlost 6m/s. Hoci priemerna rychlost vetra je dolezity parameter, vyznam ma aj sledovanie inych velicin ako su maximalna rychlost alebo pocet dni s rychlostou vetra vacsou ako 5m/s. Rychlost vetra sa vzdy meni a preto sa meni aj mnozstvo energie vyrobenej turbinou. Ake velke su tieto zmeny, zavisi na okolitom povrchu a prekazkach. Okamzite zmeny rychlosti su vsak bezne kompenzovane zotrvacnostou turbiny. MERANIE RYCHLOSTI VETRA Umiestnovanie veternych turbin bez merania vetra sa zvycajne nevyplaca. Vo vacsine pripadov su 4 mesiace merania minimom a rok merania je povazovany za optimum. Pri vacsej investicii do veternej turbiny je dodatocna investicia za meranie rychlosti prave tym, co odlisuje dobru a zlu investiciu. Meranie sa zvycajne robi mechanickym zariadenim nazyvanym anemometer. Anemometer ma vertikalnu os a "lyzicky" zachytavajuce vietor. Pocet otacok za minutu je elektronicky zaznamenavany. Obycajne je anemometer vybaveny aj natacacim zariadenim na zistovanie smeru vetra. Existuju aj ine typy anemometrov ako su laserove alebo ultrazvukove, ktore zaznamenavaju fazovy posun zvuku alebo svetla odrazaneho od molekul vzduchu. Anemometre s horucim vlaknom zaznamenavaju rychlost vetra na zaklade okamzitych zmien teplot medzi vlaknami umiestnenymi vo vetre. Vyhodou "ne-mechanickych" zariadeni je, ze su menej citlive na namrazu. V praxi sa vsak mechanicke anemometre pouzivaju takmer vsade, pricom specialne modely s elektricky vyhrievanymi lyzickami sa pouzivaju napr. v polarnych oblastiach. obr. anemomet.jpg Text: Anemometer - zariadenie na meranie rychlosti vetra. Urcenie presnej rychlosti vetra vsak nie je jednoducha a lacna zalezitost. V pripade malych turbin vsak nemusi byt potrebna. Na to, aby sme dostali hruby odhad o rychlosti vetra je mozne orientovat sa podla merani napr. meteorologickych stanic v blizkosti. Problemom je, ze meteorologicke stanice meraju rychlost vetra pri zemi, kym turbiny sa nachadzaju vo vacsej vyske. Taketo meranie rychlosti vetra ma za nasledok podhodnotenie skutocnej rychlosti v danom mieste. Velmi jednoduchy anemometer je vsak mozne si aj skonstruovat. Inym sposobom ako zistit silu vetra je sledovanie zdeformovania (zakrivenia) stromov. Stromy, hlavne ihlicnate su casto ohybane vetrami a silne vetry ich deformuju. Toto zdeformovanie byva velmi vyznamne hlavne pre osamotene stojace vysoke stromy. V smere vetra su viditelne aj rozdiely v dlzke vetiev. Vetvy su kratsie v smere odkial vietor prevazne fuka a dlhsie v smere kam fuka. Pri urcovani spravneho miesta pre turbinu je preto mozne orientovat sa aj podla tychto znakov. Sledovanie zdeformovania stromov v lesoch vsak nema vyznam, kedze stromy sa vzajomne ovplyvnuju a znizuju rychlost vetra. Rychlost vetra je mozne orientacne zistit aj z Griggs-Punamovho indexu deformity stromov (pozri obrazok). obr. deformitastrom.jpg Text: Griggs - Punamov index deformity stromov je mozne vyuzit na orientacne stanovenie priemernej rychlosti vetra. obr.flaging.jpg Text: Zakrivenie stromov byva znakom silnych vetrov. URCENIE VYKONU TURBINY Urcenie typu a potrebneho vykonu turbiny je velmi dolezita a narocna uloha. Nielen kvalita turbiny, ale aj jej vhodnost pre dane podmienky ako su rychlost vetra a spotreba energie su rozhodujuce. Pri vybere turbiny nebyva vhodne porovnavanie na zaklade ich menoviteho vykonu. Suvisi to s tym, ze vyrobcovia maju moznost sami si zvolit rychlost vetra, pre ktoru udavaju vykon turbiny. Ak nie su tieto rychlosti pre dve turbiny rovnake, nie je mozne ani ich korektne porovnanie. Vyrobcovia okrem vykonu turbiny udavaju aj udaj o potencialnej vyrobe energie pri roznych rychlostiach vetra. Tieto udaje sice umoznuju vzajomne porovnavanie jednotlivych turbin avsak nehovoria nic o tom aka bude skutocna vyroba v danom mieste. VYSKA TURBINY Energia obsiahnuta vo vetre je okrem inych parametrov funkciou tretej mocniny rychlosti vetra. Preto najjednoduchsou cestou ako zvysit vyrobu energie turbinou je zvysenie rychlosti vetra. Tuto je mozne zvysit bud umiestnenim turbiny na veternejsie miesto alebo zvacsenim vysky stoziara. Rychlost vetra vyrazne narasta s pribudajucou vyskou. Napriklad energia vetra moze byt az o 100 % vacsia vo vyske 30 metrov ako vo vyske 10 metrov. Podstatne je, ze jedna 30 metrov vysoka turbina je lacnejsia ako napr. dve 10 metrove turbiny. Pravidlom je, ze turbiny by mali mat minimalnu vysku asi 10 metrov nad okolitymi prekazkami v okruhu 100 metrov. Realisticke minimum je asi 15 metrov nad urovnou prekazok a potom ist tak vysoko ako je to mozne. Mensie turbiny sa zvycajne umiestnuju na nizsie stoziare ako velke turbiny. Napriklad 250 W turbina ma zvycajne stoziar vysoky 15-20 metrov, kym 10 kW turbina si vyzaduje vysku 20-30 metrov. Turbina tiez musi mat masivny stoziar, aby vydrzala turbulencie vetra. Obnovitelne zdroje energie - navrat na publikaciu