Vietor je prúdenie vzduchu, ktoré vzniká dôsledkom vyrovnávania rôznych tlakov vzduchu. Tieto tlakové rozdiely v atmosfére sú spôsobené nerovnomerným zahrievaním Zeme a nerovnomerným rozložením teploty v atmosfére. Energia vetra je veľmi veľká predstavuje asi 1020J. V prízemných vrstvách je prúdenie vzduchu do podstatnej miery ovplyvnené krivosťou terénu ale aj samotným trením a turbulenciami.

Charakteristické veličiny vetra a Beaufortova stupnica

Francis Beaufort narodil sa 7 mája 1774 v Írsku. V 13 rokoch sa stal stevardom britského námorníctva. V roku 1805 sa plavil do Južnej Ameriky, kde mal ako úlohu riadiť hydrografický výskum. Pri tejto plavbe Beaufort zostavil v rokoch 1805 – 1808 svoju stupnicu sily vetra, a od roku 1838 bola táto stupnica povinne používaná pre všetky zápisy sily vetra v britskom námorníctve.

Beaufortova stupnica slúži na vyhodnotenie priemernej sily vetra. Meranie sa uskutočňuje na voľnom priestranstve vo výške 10 m nad zemským povrchom. Prepočet sa vykonáva na priemernú rýchlosť v  m/s alebo km/h za meraciu periódu 10min.
Vzhľadom na to, že veličiny spojené s meraním vetra sú premenlivé je potrebné zaviesť „neokamžité“ veličiny ktoré sú vhodnejšie pre potreby vo veternej energetike.

Tab. 1: Beaufortova stupnica

Rýchlosť vetra a určujúca rýchlosť

Okamžitá rýchlosť vetra v ľubovoľnej výške nad zemou vykazuje určité fluktuácie s určitou frekvenciami. To znamená, že rýchlosť vetra nie je konštantná a pre jeden merací bod sa v čase mení sa určitými frekvenciami. Takéto zmeny rýchlosti vetra sa dejú nezávisle od seba v rôznych meracích výškach.

Vzhľadom na to že veterná turbína nie je bodový objekt uplatňuje sa na nej stredná „určujúca“ rýchlosť tohto prúdenia. Zapísať ju môžeme ako:

 

       kde: v(t) – okamžitá rýchlosť v čase t (ms-1); T – stanovený časový interval; v – stredná určujúca rýchlosť ms-1

Rýchlosť vetra a drsnosť povrchu

Dôsledkom trenia sa vzduch v spodných vrstvách (bližšie pri zemi) pohybuje pomalšie ako vyššie od zeme kde sa neuplatňuje také veľké trenie. Matematicky môžeme tento jav popísať nasledovne:

       kde: v(z) – rýchlosť vetra vo výške z; v1 – rýchlosť vetra vo výške z1; α – exponent vyjadrujúci drsnosť terénu koeficient vyjadrujúci drsnosť terénu sa menia s výškou vegetácie, snehom a pod.

Turbulencie

Ako sme už vyššie spomínali okamžitá rýchlosť vetra má určité fluktuácie. Práve turbulencie sú hlavnou príčinou tohto javu. Turbulencie dosť významne zaťažujú konštrukciu celej veternej elektrárne. Toto zaťaženie je síce náhodné ale tvorí takmer polovicu celkového zaťaženia.

Nárazy vetra

Sú definované ako extrémne hodnoty vetra, ktoré sa dosiahnu len na krátky chvíľu. Sú taktiež spôsobené turbulenciami.

Smer vetra

Vo všeobecne prevláda názor, že smer vetra je úplne náhodný jav. Nie je to však celkom tak. Na niektorých pozorovacích miestach sa dá vytušiť prevládajúce smery vetra. V strednej Európe prevláda prúdenie zo severozápadu až západu. Najvýznamnejší vplyv na smer pozorovaného vetra u nás majú prekážka dané reliéfom krajiny. Ak keď reliéf Slovenska je členitý pozorovaním boli zistené pre jednotlivé oblasti nasledujúce prevládajúce smery vetra :

Podunajská nížina – severozápadné prúdenie

Východné Slovensko – severné prúdenie

Ďalší vplyv na smer vetra má aj tzv. termický vietor, teda pohyb vzduchu vplyvom zahrievania/ochladzovania zeme počas dňa/noci.

Potenciál vetra pre využitie v energetike, vhodné lokality

Základným parametrom podľa ktorého sa musí potenciálny staviteľ veternej elektrárne orientovať je veternosť v danej oblasti. Celková veternosť sa dá odhadovať (napr. približným odhadom podľa veternosti v blízkych meraných oblastiach ako napr. letiská), alebo ju môžeme určiť meraním. Toto meranie je najvhodnejšie vykonať v takej výške v akej bude umiestnená gondola, alebo sa urobí meranie v 2 rôznych výškach a následne sa urobí prepočet rýchlosti vetra pre ďalšie výšky. Meranie by malo trvať minimálne rok a jeho výsledky je vhodné porovnať s meraniami meteorologických staníc SHMÚ. Okrem rýchlosti vetra sa vyhodnocujú aj ďalšie údaje ako frekvencia výskytu, smer vetra, turbulencie.

Obr. 2 zobrazuje typickú výkonovú krivku veternej elektrárne. Ako možno vidieť pre stavbu veternej elektrárne najvhodnejšie rýchlosti od 3,5m/s  až do 15m/s, kedy pre rýchlosť 15m/s veterná elektráreň dosahuje maximálny výkon a pre väčšie rýchlosti vetra už musí byť brzdená. Z hľadiska geografického hľadiska sú pre stavbu najvhodnejšie rovinné oblasti, alebo vrcholy nie príliš strmých pahorkov a kopcov. Ďalším významným parametrom pri výbere lokality je terén s čo najnižšou drsnosťou(teda menšie trenie vetra a vyššia rýchlosť vetra. )

Obr. 1: Veterná mapa Slovenska [1]

Obr. 2: Priebeh výkonu veternej elektrárne v závislosti na rýchlosti vetra [2]

Produkovaný výkon veternej elektrárne zobrazuje nasledujúca rovnica a je úmerný tretej mocnine rýchlosti vetra a priamo úmerný ploche, ktorú opisuje turbína.

        

   kde: ρ –  je hustota vzduchu (kg.m3); A – plocha turbíny (m2); v – rýchlosť vetra (m.s-1); cp – súčiniteľ výkonu

Súčiniteľ výkonu je závislý iba od toho nakoľko turbína spomaľuje pretekajúci vzduch. Teoreticky dosiahnuteľná účinnosť je takmer 60%, no v skutočnosti sa účinnosť pohybuje okolo 40%.

Obr. 3: Denný priebeh produkcie výkonu veternej elektrárne.

Veterné zariadenia

Veterné zariadenia slúžia na premenu energie vetra na mechanickú energiu. Tá je charakterizovaná točivým momentom a otáčkami rotora. V súčasnosti je najčastejšie premieňaná na elektrickú energiu alebo priami pohon mechanického vodného čerpadla.

Najčastejšie delenie veterných zariadení je podľa osí otáčania a to:

  • S vodorovnou osou otáčania
  • So zvislou osou otáčania

Podľa inštalovaného výkonu ich môžeme rozdeliť na

  • Malé do 20 kW
  • Stredné do 50 kW
  • Stredne veľké do 250 kW
  • Veľké nad 250 kW

 Medzi najznámejšie konštrukcie s vertikálnou osou otáčania patrí:

Savoniusov rotor

Základný typ je tvorený dvomi polvalcovými plochami, ktoré sú vzájomne presadené s medzerou.

Jeho výhodou je jednoduchá a lacná konštrukcia. Rozbeh aj pri malých rýchlostiach vetra. Počiatočný krútiaci moment závisí od presadenia polvalcových plôch ale aj od polohy rotora voči smeru vetra. Jeho účinnosť je približne 0,2.

Darrieusov rotor

Skladá sa z 2 alebo 3 krídel rotujúcich okolo spoločnej zvislej osi. Ich výhodou je, nezávislosť na smere vetra,  pomerne jednoduchá konštrukcia a možnosť umiestniť generátor v zemi. Niekedy sa vyskytuje v kombinácii s savoniusovým rotorom najmä kvôli jeho dobrým rozbehovým vlastnostiam. Problematické je však výkonová regulácia rotora (tú nie je možné riešiť natočením lopatiek), ktorá je realizovaná mechanickou brzdou na hriadeli rotora.

Medzi klasické usporiadania lopatiek patrí usporiadanie do H, ∆, alebo najčastejšie ϕ. Najväčšia elektráreň tohto typu Éole je umiestnená v Kanade, má výšku rotora až 96 m s priemerom 64 m. Inštalovaný výkon je 3,8 MW.

Obr. 4: Veterná elektráreň Éole

Veterné elektrárne s horizontálnou osou otáčania

Sú to rýchlobežné zariadenia. Ich účinnosť dosahuje až 40% pri uvažovaní premeny na elektrickú energiu. Lopatky vrtule môžu byť natáčacie. Gondola sa musí natáčať do smeru vetra. Usporiadanie má 2 možné konštrukčné riešenia a to up – wind, alebo down – wind. Pri usporiadaní up – wind je potrebné brať do úvahy priehyb lopatky. Turbína pracuje v menšom aerodynamickom tieni stĺpa, má pokojnejší chod a menší hluk. Usporiadanie down – wind nepotrebuje riadenie natáčania do smeru vetra, pracuje však vo väčšom aerodynamickom tieni stĺpa preto je v tomto prípade požiadavka aby bol stĺp prútovej konštrukcie.  Takto bude mať menší aerodynamický tieň.

Obr. 5: Usporiadanie Up – wind           Obr. 6:Usporiadanie Down – wind

Optimálne prevádzkové otáčky stúpajú s klesajúcim počtom listov, čo sa však prejavuje menej pokojným chodom zariadenia. Vo všeobecnosti môžeme povedať, že dvojlistové veterné turbíny sú viac rozšírené v Amerike a trojlistové v Európe.

Konštrukcia

1 – rotor s rotorovou hlavou a listami; 2 – brzda rotora; 3 – planetová prevodovka

4 – spojka; 5 – generátor; 6 – natáčanie strojovne

7 – brzda ; 8 – ložisko; 9 – meranie rýchlosti a smeru vetra

10 – veža elektrárne; 11 – betónový základ ; 12 – rozvádzač; 13 – elektrická prípojka

Obr. 7: Konštrukcia veternej elektrárne s horizontálnou osou natáčania [2]

Veterné parky na Slovensku

Na Slovensku sú v súčasnej dobe prevádzkované 2 veterné parky a to VP Cerová a VP Ostrý vrch  

Parametre VP Cerová:

Typ : Vestas – V47/660 kW

Počet agregátov – 4

Celkový výkon – 2,6 MW

Ročná produkcia – cca 4000MWh ročne

Uvedenie do prevádzky – október 2003

Výška stožiara – 76 metrov

Priemer vrtule – 46 metrov

Pokrytie spotreby – 1500 domácností

Parametre VP Ostrý vrch

Typ : Vestas – V36/500 kW

Počet agregátov – 1

Celkový výkon – 0,5 MW

Ročná produkcia – cca 800 MWh ročne

Uvedenie do prevádzky – júl 2004

Výška stožiara – 40,5 metra

Priemer vrtule – 39 metrov

Pokrytie spotreby – 300 domácností

____________________________________________________________________________________

Zdroje:

[1] ŠTIBRÁNY P.: Veterná energetika, ISBN 80-88780-17-9

[2] http://www.vosvdf.cz/cmsb/userdata/489/obnovitelne-zdroje/Vetrne%20elektrarny.pdf

[3] http://www.envis.sk/storage/mapa_veternosti_sr.png