Využime silu vetra

Akokoľvek moderne a prevratne znie termín veterná energia, spomedzi obnoviteľných zdrojov energie patrí k tým, ktorých využívanie má najdlhšiu tradíciu. Potenciál ukrytý vo vetre využívali už staré civilizácie na pumpovanie vody do zavlažovacích systémov. V stredovekej Európe zasa nastal rozmach veterných mlynov. Nesmieme zabúdať ani na stáročia osvedčený veterný pohon v lodnej doprave, rozšírený snáď u všetkých národov od najstarších čias až po dnešok. Veternú energiu môžeme využívať aj dnes, hoci pred mletím múky dávame prednosť skôr výrobe elektrickej energie.

Galéria

Situácia vo svete…
Najlepšie podmienky na využitie veternej energie majú prímorské štáty, no rozšírená je takmer na celom svete. Hoci sa týmto spôsobom vyrobí len asi 1 % z celosvetovej produkcie elektrickej energie, ide o jedno z najrýchlejšie sa rozvíjajúcich energetických odvetví. Keďže prímorské štáty majú na tento spôsob získavania energie najlepšie podmienky, niet divu, že práve v nich najďalej pokročil nielen vývoj konkrétnych technológií, ale aj ich zavádzanie do praxe. Už takmer tradične tabuľkám dominuje USA, ktoré má najväčší inštalovaný výkon na celom svete, veľký potenciál do budúcnosti majú Brazília, Kanada a Mexiko, v Európe Veľká Británia, Dánsko, Nemecko či Španielsko. Z ázijských krajín vyniká predovšetkým India a ďalšou veľmi perspektívnou krajinou je Čína.

…a na Slovensku
Slovensko svojou vnútrozemskou polohou nespĺňa podmienky ideálnej veternej krajiny. To však neznamená, že energia z vetra sa u nás nedá využiť. Teoretický odhad maximálneho veterného potenciálu našej krajiny sa podľa niektorých zdrojov pohybuje okolo 3 mld. KWh/rok, z čoho sa reálne dá využiť asi 1 mld. kWh/rok. Na Slovensku máme približne 4 300 km2 oblastí s priemernou rýchlosťou vetra vyššou ako 4 m/s (necelých 14,4 km/h), ktoré sú vhodné na stavbu veterných elektrární. Sú to zväčša horské oblasti s nadmorskou výškou nad 600 m, mnohé vhodné lokality sa však nachádzajú aj v Podunajskej nížine, kde je prúdenie vzduchu pravidelnejšie než v kopcovitom teréne. Ľudia sú často náchylní podľahnúť mýtu, že poriadna veterná elektráreň musí stáť niekde na sychravom kopčisku veľkom ako Kráľova hoľa. Ako by však potom mohli fungovať elektrárne v nížinatom Holandsku či susednom Rakúsku?

Veľké, stredné a malé
V praxi rozlišujeme predovšetkým veľké elektrárne, ktoré dodávajú elektrinu do siete, a malé zdroje určené najmä na pokrytie vlastnej spotreby majiteľa. Veľká elektráreň si vyžaduje objemnú vstupnú investíciu, je náročná na veterné podmienky i profesio­nálne realizovanie výstavby, nehovoriac o nárokoch na údržbu počas prevádzky. Malé a stredné elektrárne si môžeme vybudovať aj svojpomocne zo zakúpených súčiastok, prípadne osloviť firmu, ktorá dodá potrebnú technológiu vrátane montážnych prác. Všetko závisí od našich skúseností a zručností, finančných možností a najmä zámeru, ako chceme vyrobenú energiu využiť. Rozšírený spôsob fungovania malej či strednej elektrárne je taký, že veterný motor dodáva energiu na priamu spotrebu v rodinnom dome s tým, že ak je energie momentálne nedostatok, odoberá ju z verejnej elektrickej siete. A naopak, vyrobené prebytky zasa do siete odvádza. Výhodou tohto riešenia je flexibilita a rýchlejšia návratnosť investícií, nevýhodou zasa väčšia náročnosť technickej realizácie a nutnosť uzavretia zmlúv s prevádzkovateľom verejnej siete. Pri samotnej konštrukcii musíme dodržiavať príslušné normy a vyvarovať sa rôznych neštandardných hobby výtvorov. Ak nechceme situáciu okolo vlastnej veternej elektrárne príliš komplikovať, môžeme vyrobenú energiu využívať výhradne na pokrytie vlastnej spotreby. Dá sa účinne použiť na ohrievanie vody alebo vykurovanie. Pre nepravidelný výkon veternej elektrárne nemôžeme takto získanou elektrinou priamo napájať elektrospotrebiče, ktoré sú citlivé na výchylky napätia. Elektrickú energiu však môžeme ukladať do akumulátora, z ktorého ju po usmernení dokážu čerpať aj citlivejšie prístroje.

Výber lokality pre veternú elektráreň
Keď uvažujeme o výbere vhodného miesta na stavbu veternej elektrárne, musíme dlhodobo sledovať a hodnotiť smer a rýchlosť vetra v danej lokalite. Na to, aby sme získali presný obraz jej poveternostných podmienok, musíme uskutočňovať tieto merania minimálne počas jedného roka. Konkrétne údaje nám môže poskytnúť Slovenský hydrometeorologický ústav. Ďalším faktorom, ktorý veľmi výrazne ovplyvňuje vhodnosť určitej lokality na stavbu veternej elektrárne, je rýchlostný profil prúdenia. Ten nesúvisí priamo s meteorologickou situáciou, ale veľmi výrazne predurčuje umiestnenie a konštrukciu elektrárne. Vyjadruje prúdenie vzduchu v určitých výškach nad zemským povrchom (rôzne rýchlosti vetra v rozličných výškových hladinách), pretože vietor sa správa inak na rovine, nad hrebeňmi, v údolí alebo pri náraze na osamelú prekážku v teréne. Vhodnosť stavby veternej elektrárne však ovplyvňuje aj množstvo ďalších faktorov, v neposlednom rade finančná dostupnosť a návratnosť investície.
Všeobecne platí, že dobrá lokalita na stavbu veternej elektrárne je taká, kde je priemerná rýchlosť vetra vo výške 10 m nad zemou 4 m/s. Za ideálnu lokalitu pokladáme miesto s priemernou rýchlosťou vetra 6 m/s. V našich zemepisných šírkach tieto podmienky spĺňajú najmä územia s nadmorskou výškou nad 600 m. Tieto hodnoty však môžu byť aj značne zavádzajúce. Ak vezmeme do úvahy fakt, že výkon veternej elektrárne rastie treťou mocninou rýchlosti vetra, môžu sa ako výhodné ukázať aj lokality z častými silnými vetrami, ktoré sa striedajú s obdobiami bezvetria. Musíme si tiež uvedomiť, v akých obdobiach a ako často budeme energiu využívať a tiež aké nároky z hľadiska výkonu budeme na elektráreň klásť. Elektráreň, ktorú budeme používať na víkendovej chate, nie je, samozrejme, taká náročná na stálosť a silu prúdenia vetra ako elektráreň permanentne využívaná rodinnom dome či veterná turbína napojená na sieť.

Typy veterných elektrární
Veterné elektrárne môžeme rozdeliť podľa rozličných kritérií na viaceré typy. Z hľadiska výkonu hovoríme o malých (do 20 kW), stredných (od 20 kW do 50 kW) a veľkých (nad 50 kW) elektrárňach. Elektrárne s výkonom do 5 kW slúžia prevažne na nabíjanie akumulátorov, od 5 kW do 20 kW na dodávanie elektriny do siete alebo ohrev úžitkovej vody a nad 20 kW už takmer výhradne dodávajú elektrickú energiu do siete. Z konštrukčného hľadiska rozlišujeme veterné elektrárne s vertikálnou alebo horizontálnou osou rotácie.

Činnosť malej veternej elektrárne môžeme doplniť iným energetickým zdrojom. Výhodné je napríklad spojenie slnečnej a veternej energie. Počas slnečných dní nám elektrinu aj ohrev vody zabezpečia kolektory a fotovoltaické články. Naopak, v období horšieho počasia, keď slnko zakrývajú oblaky, zvyčajne stúpa veterná aktivita, ktorá dodáva energiu veternej elektrárni. Keďže v lete dominuje energia zo slnka a v zime preberá jej úlohu vietor, využitie oboch prírodných zdrojov energie nám pomôže posilniť vlastnú energetickú nezávislosť.

Do plochy:
Z čoho sa skladá veterná elektráreň?
Hoci sa komponenty rôznych typov veterných elektrární od seba líšia tvarom a veľkosťou, v zásade majú rovnakú funkciu, pretože princíp premeny veternej energie na elektrickú je stále ten istý.

Rotor
Ide o časť veternej elektrárne, ktorá sa otáča pôsobením vetra. Energia, ktorú takto získame, sa potom premieňa na elektrinu alebo mechanickú prácu, ktorú môžeme ďalej využiť. V praxi sa používajú štyri typy rotorov – vrtuľový, Darrieov, Savoniov a lopatkové koleso.

Generátor
Zvyčajne býva jednosmerný, synchrónny alebo asynchrónny. V malých veterných elektrárňach sa zväčša používajú jednosmerné generátory, pretože produkujú jednosmerný prúd, ktorým sa môžu ľahko dobíjať akumulátory. Striedavé generátory už musíme vybaviť vhodným usmerňovačom. V stredných a veľkých veterných elektrárňach sa inštalujú synchrónne alebo asynchrónne generátory. Synchrónne majú veľkú účinnosť, stačia im nízke pracovné otáčky a dokážu pracovať aj pri vysokých otáčkach, takže sa dajú použiť vo veľkom rozsahu rýchlostí vetra. V porovnaní s asynchrónnymi generátormi sú však drahšie a majú komplikovaný riadiaci a kontrolný systém, pretože ich treba pripojiť na sieť presne v momente, keď je napätie a priebeh fáz na jeho svorkách rovnaké s tým v sieti. Asynchrónne generátory sú lacnejšie, dajú sa jednoduchšie pripojiť k sieti a môžeme ich použiť na rozbeh rotora elektrárne pri nedostatočnom rozbehovom momente samotného vetra. Asynchrónne generátory však pri rozbehu odoberajú zo siete prúd na vytvorenie vlastného magnetického poľa. Túto drobnú nevýhodu možno vyrovnať dodaním prúdu z batérie kondenzátorov.

Systém natáčania rotora do smeru vetra
Pri starobylých mlynoch žiadny automatický systém natáčania do smeru vetra neexistoval, a tak sa lopatky natáčali ručne. Dnes však existuje viacero automatických spôsobov od jednoduchých mechanických princípov až po náročnejšie mechanizmy s vlastným motorom. Predovšetkým malé elektrárne využívajú tzv. chvostovú plochu. Ide o konštrukčne veľmi jednoduché riešenie, kde sa plocha pevne pripojená na strojovňu elektrárne otáča po smere vetra, čím zaručuje, že rotor je vždy natočený kolmo na tento smer. Je to veľmi spoľahlivý a minimálne poruchový systém. Jeho nevýhoda spočíva v tom, že pri náhlych zmenách prúdenia vetra sa strojovňa môže otočiť veľmi prudko, čo môže spôsobiť rôzne tlaky urýchľujúce únavu materiálu. Bočné pomocné rotory predstavujú už zložitejší mechanizmus s dvoma malými vrtuľami po bokoch strojovne. Tie otáčajú celé jej telo pomocou sústavy ozubených kolies. Takto dosiahneme postupné otočenie rotora a minimalizujeme namáhanie materiálu. Väčšie elektrárne s pomocnými motormi otáčajú v smere vetra pomocné motory. Hoci ide o komplikované a finančne náročné mechanizmy, dokážu plynulo a veľmi presne natočiť strojovňu do smeru vetra. Okrem otáčania rotora za vetrom by mala byť elektráreň vybavená aj mechanizmom, ktorý zariadenie ochráni v prípade príliš silného vetra. Väčšinou sa strojovňa otočí buď do takého smeru, aby vrtuľa vyvolávala čo najmenší odpor vzduchu, alebo sa jednotlivé lopatky vrtule natáčajú v smere vetra.

Regulačné a kontrolné prvky
Existuje mnoho možností a úrovní takéhoto vybavenia od najjednoduchších, čisto mechanických systémov, ktorými ovládame domáce veterné motory až po komplikované počítače riadiace prevádzku niekoľko megawattových elektrární. Ovládacie a kontrolné prvky umožňujú reguláciu a kontrolu chodu elektrárne. Systém regulácie vrtule zabezpečuje stálosť jej otáčok a prípadne aj jej brzdenie. Kontrolný systém pomocou rozličných senzorov sprostredkúva rôzne informácie o aktuálnom stave chodu elektrárne a systém pripojenia k sieti zabezpečuje pripojenie elektrárne k verejnej či domácej  sieti, resp. jej odpojenie.

Text: podľa www.ekoskola.sk spracoval Milan Bohunický
Foto: Daniel Veselský