Větrná energie

Proudící vzduch předává lopatkám větrné elektrárny část své kinetické energie. Albert Betz v roce 1919 odvodil teoreticky maximální dosažitelnou účinnost větrného stroje na 59,3 % (tzv. Betzovo pravidlo).[1] Kinetická energie větru se v turbíně mění na energii otáčivého pohybu a následně v generátoru na energii elektrickou. Teoreticky dosažitelný výkon činí v případě jednotkové plochy

${\displaystyle P_{t}=k_{B}\cdot \rho \cdot {\frac {v^{3}}{2}}}$, kde k_B je Betzův koeficient 0,59

Pro reálné turbíny s průměrem rotoru D (tedy délkou lopatky D/2) se používá vzorec

${\displaystyle P=c_{p}\cdot \rho \cdot {\frac {v^{3}}{2}}\cdot \pi \cdot {\frac {D^{2}}{4}}}$, kde c_p je součinitel výkonnosti, v ideálním případě rovný 0,59

Typický průběh generovaného výkonu a součinitele výkonnosti VE v závislosti na rychlosti větru

Součinitel výkonnosti je sám o sobě funkcí rychlosti větru a je dán konstrukčním řešením turbíny, konkrétně převodní křivkou úhlu natočení lopatek turbíny v závislosti na rychlosti větru. To, v kombinaci s kubickou závislostí na rychlosti větru způsobuje pronikavou závislost skutečného výkonu na rychlosti větru (při poloviční rychlosti je výkon osminový atd.).

Další podstatnou hodnotou, definující účinnost větrného zdroje je koeficient ročního využití ${\displaystyle k}$, definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky možnému výkonu zdroje za rok. V českých podmínkách se ${\displaystyle k}$ pohybuje v mezích 0,1–0,2, pro velmi větrné lokality dosahuje teoreticky až 0,28. Statisticky podle dat ČSÚ za rok 2007 však dosahuje koeficient ročního využití větrných elektráren v ČR pouze 12,71 % (za rok 2005 to bylo pouze 11 %)[2]. Hodnota ovšem značně závisí na zvolené lokalitě – větrná farma Sternwald na rakousko-českých hranicích ve východní části Šumavy dosáhla se 7 větrnými elektrárnami o instalovaném výkonu 14 MW koeficientu ročního využití za rok 2006 21,9 %, za první 4 měsíce roku 2007 se dokonce podařilo dosáhnout hodnoty průměrného využití 32,3 % (přičemž po zbytek téhož roku to bylo necelých 20 %).[3]

Další ztráty však vznikají i na jednotlivých částech soustrojí větrné elektrárny. Účinnost soustrojí se určí součinem účinnosti jednotlivých částí soustrojí elektrárny (rotoru, převodovky a generátoru):[4]

${\displaystyle c_{p}=\eta _{R}\cdot \eta _{P}\cdot \eta _{G}}$

Rozložení hustot rychlostí větru pro střední hodnotu rychlosti 15 m/s

Spektrum rozložení hustoty rychlostí větru v dané lokalitě je poměrně dobře popsatelné Rayleighovým rozdělením (normální rozdělení v polárních souřadnicích) jako speciálním případem rozdělení Weibullova. Jde o funkci

${\displaystyle f(v)={\frac {\beta }{\eta }}\cdot ({\frac {v}{\eta }})^{\beta -1}\cdot e^{-({\frac {v}{\eta }})^{\beta }}}$, kde v je náhodně proměnná rychlost větru, ${\displaystyle \beta =2}$ je tvarový parametr rozložení a ${\displaystyle \eta }$ odpovídá střední hodnotě rychlosti větru

${\displaystyle \eta \approx {\frac {\tilde {v}}{0.886}}}$

Je zřejmé, že maximum hustoty výskytu rychlostí bude vždy ležet vlevo od hustoty výskytu střední rychlosti větru. Pro reálné použití má smysl pracovat s pravděpodobností výskytu rozsahu rychlostí větru v intervalu (v₁,v₂), kterou lze určit jako

${\displaystyle P_{(v_{1},v_{2})}=\int _{v_{1}}^{v_{2}}f(v)\mathrm {d} v}$

Velká pole větrných elektráren jsou měně účinná (o rozloze nad 30 km). Způsobují totiž úbytek větru a velké větrné farmy mají limit účinnosti zhruba 1 W na čtvereční metr plochy země.[5] V praxi v USA zabírají větrné elektrárny 70 akrů na produkci MW (tedy něco přes 3 W na čtvereční metr).[6]

V praxi je jako model šíření používána náhrada prostředí hemisférou s homogenními vlastnostmi. V tomto modelu lze určit hlasitost hluku s danou intenzitou a v dané vzdálenosti dle vzorce

${\displaystyle L_{p}=L_{w}-10\cdot log_{10}(2\pi \cdot R^{2})-\alpha \cdot R}$

kde R je vzdálenost od zdroje hluku a α je součinitel absorpce, přijímaný pro suchý vzduch α=0.005 dBm⁻¹, přičemž zdroj hluku je považován za bodový. Metodika měření je dána IEC 61400-11 ve druhém vydání. České hygienické normy připouštějí maximální úroveň hluku v obytné zástavbě 50 dBA ve dne a 40 dBA v noci, přípustná úroveň hluku ve volné přírodě není stanovena.

Zdrojem infrazvuků jsou zejména mechanické části konstrukce větrných turbín. Pro stanovení jejich intenzity nelze používat hlukoměry s filtrem křivky A (ekvivalent citlivosti ucha), který infrazvuky potlačuje. Hluk větrných elektráren, emitovaný v infrazvukové oblasti dosahuje až 70 dB (Vestas V-52 70 dB na frekvenci 16 Hz, Vestas V-80 72 dB ve frekvenčním rozsahu 4–26 Hz), což v tomto pásmu odpovídá přirozenému hlukovému pozadí. Infrazvukové vlnění se kromě vzdušné cesty šíří i konstrukcí dříku a základovou deskou do okolí.

• Ústav fyziky atmosféry Akademie věd České republiky. Odhad realizovatelného potenciálu větrné energie na území ČR [online]. 2008-02-15. Dostupné v archivu pořízeném z originálu.
• Ústav fyziky atmosféry Akademie věd České republiky. Aktualizovaný odhad realizovatelného potenciálu větrné energie z perspektivy roku 2012 [online]. 2012-07-18. Dostupné online.

• Větrná turbína
• Větrná farma
• Větrné turbíny na moři
• Seznam větrných elektráren v Česku

• Obrázky, zvuky či videa k tématu větrná energie na Wikimedia Commons
• Galerie větrná energie na Wikimedia Commons
• Česká společnost pro větrnou energii
• Přeměna větrné energie na elektrickou - větrné turbíny