FYZIKA

 
FYZIKÁLNE ÚLOHY
EXPERIMENTY
UČEBNÉ TEXTY
TESTY
VÝUČBA
DIDAKTIKA FYZIKY
WWW STRÁNKY
ENV. FYZIKA
PUBLIKÁCIE
DIPLOMOVÉ  PRÁCE
UČEBNÉ POMÔCKY
ĎALŠIE VZDELÁVANIE
KUF - KLUB UČITEĽOV
DIDFYZKE
AKTUALITY

Podobne ako vodu aj vietor dokázali ľudia využívať už veľmi dávno. Ešte pred začiatkom nášho letopočtu, v starej Číne, Perzii, či Egypte, vtedajšie civilizácie využívali vietor na pohon veterných motorov slúžiacich na čerpanie vody do zavlažovacích systémov. V stredoveku sa prvé veterné motory objavili aj v Európe (Taliansko, Francúzsko, Španielsko, neskôr Anglicko a Holandsko) prevažne vo forme veterných mlynov. Začiatkom 19. storočia bola postavená aj prvá rýchlobežná veterná turbína vo Francúzsku, čím sa začala prvá etapa využívania vetra na výrobu elektrickej energie. Neskôr bol v Dánsku, pred 2. svetovou vojnou, sprevádzkovaný systém veterných elektrárni na morskom pobreží s výkonom 50 kW.

Dôležitým medzníkom v oblasti veterných elektrárni bola ropná kríza, ktorá bola hlavným podetom pre intenzívnejší rozvoj a výskum využívania vetra na energetické účely.

Od druhej polovice 70-tych rokov sa pokročilo so štandardným výkonom z 50 – 75 kW na dnešných 400-500 kW, pričom najmodernejšie veterné elektrárne pracujú s výkonom až 2 MW. V súčasnosti je veterná energia a s ňou aj veterné generátory najefektívnejším a finančne najvýhodnejším obnoviteľným zdrojom energie. Tento spôsob získavania energie je výhodný hlavne pre prímorské štáty ako USA (Kalifornia, Altmont Pas - 16 000 veľkých veterných generátorov), Veľká Británia (najväčšia veterná farma v Európa v strednom Walese – 103 generátorov s jednotlivým výkonom 300 kW), Dánsko (oblasť Jutland) – výroba 40 % celkovej energie.

Hnacou silou veterných generátorov je vietor. Vietor, vzniká ako dôsledok pôsobenia slnečnej energie. Slnko svojimi lúčmi zohrieva nerovnakou mierou pevninu, vodu a masy vzduchu vždy podľa zemepisnej polohy, ročného obdobia a poveternostných podmienok. V oblasti rovníka, kde sa dostáva najväčšia časť slnečnej energie, sa vzduch ohrieva najviac (jeho hustota klesá), stáva sa ľahším a stúpa nahor. Na póloch sa vzduch ohrieva najmenej, tu je najchladnejší (má väčšiu hustotu je ťažší ako teplý vzduch). Stúpajúci teplý vzduch na rovníku vytvára oblasť zriedeného vzduchu, ktorá nasáva studený vzduch z  oblastí zemských pólov (hustejší vzduch, vyšší tlak). Studený vzduch sa pozdĺž povrchu Zeme dostáva opäť k rovníku. Takéto prúdenie spôsobené pohybom vzdušných más sa nazýva vietor. Jeho energiu tvorí kinetická energia más vzduchu.

Vietor vanie z oblasti vyššieho tlaku do oblasti nižšieho tlaku vzduchu. Naviac na rovníku pôsobí na tieto masy Corriolisova sila (dôsledok rotácie Zeme), ktorá spôsobuje výchylku vzdušných prúdov.

Vietor možno charakterizovať pomocou 2 základných veličín – smeru a rýchlosti. Smer je daný svetovou stranou odkiaľ vanie (určuje sa pomocou “veterného vreca”, os veterného vreca určuje smer vetra). Rýchlosť vetra možno určiť pomocou anemometra, alebo vizuálne s následným porovnaním s Beanfortovou veternou stupnicou. Rotačný anemometer tvoria štyri rotujúce ramená zakončené dutými polguľami. Tlakový anemometer využíva dynamický tlak prúdiaceho vzduchu. Tepelný anemometer využíva fakt, že rýchlosť ochladzovania žhaveného vlákna je úmerná rýchlosti prúdenia

Z hľadiska využitia veternej energie si treba uvedomiť, že zatiaľ dokážeme využívať na energetické účely iba vrstvy vzduchu celkom pri zemi. Pretože Zem nie je úplne rovnou “doskou” a vetru stoja v ceste rôzne prekážky, musíme pri pohybe vzduchu uvažovať aj fyzikálne zákony o prúdení  tekutín (napr. obtekanie prekážok).

V  princípe je výroba elektrickej energie veľmi jednoduchá. Vietor roztáča rotor generátora a takto vytvorenú mechanickú energiu využíva turbína na generovanie elektrického prúdu. Tento proces prebieha vo veterných elektrárňach – zariadeniach, ktoré premieňajú kinetickú energiu vetra na elektrickú energiu.

Malé veterné elektrárne s výkonom P do 5 kW sa využívajú zvyčajne na dobíjanie akumulátorov. Veterné elektrárne s výkonom väčším ako 5 kW už môžu byť dodávateľmi elektrickej energie pre verejnej siete.

Základným stavebným prvkom každej veternej elektrárne je veterný motor, ktorý umožňuje premenu energie vetra na energiu mechanickú. Ten je zložený z rotora (vrtule) a generátora. Podľa osi rotácie rotora môžeme veterné motory rozdeliť na :

- horizontálne (os rotácie vodorovná)

- vertikálne (os rotácie zvislá)

Okrem týchto základných druhov ešte existujú viaceré špeciálne motory (Obr.13) ako je kváziprstenec, či termická veža. Dôležitou charakteristickou veličinou veterných motorov je rýchlobežnosť veterného motora l definovaná :

                                l = v₁ / v₂

kde v₁ obvodová rýchlosť špičiek listov motora, v₂ je rýchlosť vetra

Ak by sme porovnali štyri základné druhy rotorov veterných motorov zistíme, že každý z nich má určité výhody, či nevýhody.

1. Rýchlobežná vrtuľa je veterný motor s najväčšou účinnosťou pri istom pracovnom bode už 58 %. Ak berieme do úvahy účinnosť prevodu mechanickej energie na elektrickú v generátore 80 %, celková účinnosť dosahuje až 45 %. Max výkon dosahujú tieto motory pre rýchlobežnosť l = 6, no môže dosahovať až 10. Počet listov takejto vrtule je 1-4. Pre výkon potom platí

                                 P = 0,2 . v². D³

kde v je rýchlosť vetra, D priemer vrtule.

Výhodou takejto vrtule je malý počet listov a nevýhodou nízky počiatočný točiaci moment, preto sa takéto motory musia zabezpečiť núteným elektrickým rozbehom.

2. Pomalobežná vrtuľa dosahuje max. výkon pri rýchlobežnosti l =1. Účinnosť takejto vrtule je necelých 34 %. Pre výkon pomalobežnej vrtule s počtom listov 12-24, platí

                                  P = 0,15. v². D³

kde D je priemer vrtule, D je 5 až 8 m.

Takéto motory sú vhodné na pohon čerpadiel pumpujúcich vodu, pretože využívajú vietor s rýchlosťou 3 – 7 m.s^-1. Ďalšou nevýhodou je pomerne ťažký rotor.

                             Obr. 13 Niektoré druhy veterných motorov

3. Darierov rotor (patentovaný v r. 1931) je typom motora s vertikálnou osou, okolo ktorej rotuje 2 – 5 krídiel vytvárajúcich v priebehu rotácie valcové, parabolické a iné druhy plôch. Výhodou tohto typu je vysoká účinnosť, jednoduchá konštrukciu, nevýhodou zlá schopnosť samostatného rozbehu

4. Savoniov rotor (patentovaný v r. 1929) je tvorený dvoma, navzájom predsadenými plochami v tvare polválcov. Tento typ pracuje optimálne pre rýchlobežnosť 0,9 – 1. Výhodou tohto typu je jednoduchá konštrukcia, ľahký rozbeh (s výnimkou pre 2 mŕtve uhly), nevýhodou nízka účinnosť.

Vo veterných elektrárňach sa využívajú synchrónne aj asynchrónne generátory, u typov s nižším výkonom jednosmerné generátory. Každý z nich má určité výhody aj nevýhody. Synchrónny generátor má vysokú účinnosť a nízke pracovné otáčky. Jeho nevýhodou je, že k elektrorozvodnej sieti ho treba pripojiť práve vtedy, keď sú priebehy fáz napätia U a prúdu I rovnaké ako priebehy na sieti. U asynchrónnych sa pripojenie pripúšťa až do rozdielu otáčok ± 5 %.

Na to, aby veterná elektráreň dokázala využiť maximálne množstvo veternej energie aj premenlivého vetra, sa využíva systém natáčania veterného motora do smeru vetra (týka sa to iba veterných motorov s horizontálnou osou rotácie).Tento proces sa dá uskutočniť pomocou:

1. “chvostovej” plochy - využíva sa prevažne u malých veterných elektrárni. Chvostová

plocha je pevne spojená s rámom a pri zmene smeru vetra vzniká točivý moment, ktorý

rotor nastaví do smeru vetra.

2. bočných pomocných rotorov (ako 1)

3. pomocných motorov, inštalácia ktorých si vyžaduje zložité snímacie a regulačné zariadenie

 Obr. 14: Charakteristiky vrtule veternej elektrárne  P je výkon, n otáčky, l rýchlobežnosť

Nosný systém veternej elektrárne je tvorený prevažne tubusovým stožiarom s oceľovým rámom strojovne, aby sa v maximálnej miere zabránilo akémukoľvek rozkývaniu konštrukcie.

Ďalšou skupinou je ovládací, regulačný a kontrolný systém, bez ktorých by už dnešné veterné elektrárne nedokázali produkovať energiu.

Na to, aby veterná elektráreň bola funkčná je treba vedieť, že minimálna rýchlosť na rozkrútenie rotora je 3m.s^-1 (10 km.h^-1 ). Preto sa odporúča využívať až oblasti, kde je rýchlosť vetra vo výške 10m aspoň 4m.s^-1, vo výške 50 m najmenej 4,5 – 8,5 m.s^-1.

Pre kinetickú energiu E pohybujúceho sa vzduchu hmotnosti m platí

Ak prúdi vzduch s objemom V a hustotou ρ, potom jeho hmotnosť m = V.ρ a jeho kinetická energia

.

Ak uvažujeme plochu S, ktorá je kolmá na prúdenie vzduchu, potom za každú sekundu prejde ňou objem vzduchu V= S.v. Výkon vzdušného prúdu bude teda

Hustota vzduchu je závislá mimo iného na tlaku vzduchu, výške a teplote. Pre odhady sa zvykne sa brať tlak 101,3 kPa, ρ=1,23 kgm^-3 pri morskej hladine a teplote vzduchu 20⁰C. Pre presné výpočty sa počíta s hodnotami meranými na danom mieste.

Veterné kolesá znižujú rýchlosť vzdušného prúdu z  v₁ na v₂ a premieňajú tak časť jeho kinetickej energie na mechanickú energiu. Efektívna časť vzdušného prúdu prúdi veterným kolesom strednou rýchlosťou

                                       .

Rozdiel kinetickej energie ΔE = E_k1 –E_k2 = 0,5m.v₁² - 0,5m.v₂² prijíma turbína.

Výkon ideálneho veterného kolesa

                       P = 0,5.r .( v + v₂ ).0,5 (v² - v₂² ).S.

Najväčší výkon je pri v₂ = (1/3)v, t.j. pri spomalení rýchlosti na tretinu. Bletz dokázal v r.1926 základnú vetu pre využitie veternej energie: Nestratová (ideálna) veterná elektráreň môže premeniť maximálne 16/27 energie vzdušného prúdu na energiu mechanickú. Teda

                               P_Bletz = P.

Ekologické výhody využívania vetra ako zdroja energie sú vyvažované aj niektorými nepriaznivými vplyvmi. Najdôležitejšie z nich sú:

* hluk v okolí veternej turbíny, ktorý je zapríčinený rýchlosťou otáčania turbíny. Lopatky turbíny, presekávajúce vrstvy vzduchu, vydávajú zvuky podobné piskotu. Frekvenčné charakteristiky zvukového smogu veternej elektrárne okrem počuteľnej oblasti presahujú aj do vysoko- a nízkofrekvenčnej oblasti, ktoré vyvolávajú nepriaznivé psychické pocity u ľudí.

lokality a výhodné klimatické pomery.

Veterné farmy možno nájsť napr. vo V. Británii - Carland Cross Farm, 6 MW(na pevnine); vo Vindeby, Dánsko, 11x 450 kW (na mori).