náhled|Větrné elektrárny v dánském Vendsysselu Větrná energie je využití kinetické energie větru k vytváření užitečné práce. Historicky byla větrná energie využívána zejména plachetnicemi, větrnými mlýny a větrnými čerpadly. Dnes je nejdůležitější její využití k výrobě elektřiny ve větrné energetice jako zdroj obnovitelné energie, která se vyrábí pomocí větrných elektráren, které jsou často seskupeny do větrných farem a připojeny k elektrické síti.
V roce 2022 dodala větrná energie více než 2000 TWh elektřiny, což představovalo více než 7 % světové elektřiny a přibližně 2 % světové energie. V průběhu roku 2021 přibylo přibližně 100 GW, zejména v Číně a Spojených státech, a celosvětová instalovaná kapacita větrné energie přesáhla 800 GW. Aby pomohla splnit cíle Pařížské dohody omezit změnu klimatu, měla by se podle analytiků rozšiřovat mnohem rychleji – o více než 1 % výroby elektřiny ročně.
Větrná energie je považována za udržitelný obnovitelný zdroj energie a má mnohem menší dopad na životní prostředí ve srovnání se spalováním fosilních paliv. Větrná energie je proměnlivá, takže k dosažení spolehlivých dodávek elektřiny potřebuje skladování energie nebo jiné dispečerské zdroje energie. Pozemní (pevninské) větrné elektrárny mají větší vizuální dopad na krajinu než většina ostatních elektráren na jednotku vyrobené energie. Snižují tak ceny nemovitostí v okolí. Větrné elektrárny umístěné na moři mají menší vizuální dopad a vyšší instalovaný výkon i účinnost, i když jsou obecně dražší. Větrná energie na moři má v současné době podíl přibližně 10 % nových instalací.
Větrná energie je jedním z nejlevnějších zdrojů elektřiny na jednotku vyrobené energie. V mnoha lokalitách jsou nové větrné elektrárny na pevnině levnější než nové uhelné nebo plynové elektrárny.
Regiony ve vyšších severních a jižních zeměpisných šířkách mají nejvyšší potenciál pro větrnou energii. Ve většině regionů je výroba větrné energie vyšší v noci a v zimě, kdy je solární výkon nízký. Z tohoto důvodu jsou v mnoha zemích vhodné kombinace větrné a solární energie.
alt=|náhled|Globální mapa rychlosti větru ve výšce 100 metrů na pevnině a u pobřeží. náhled|Rozložení rychlosti větru (červeně) a energie (modře) za celý rok 2002 v zařízení Lee Ranch v Coloradu. Histogram ukazuje naměřená data, zatímco křivka je Rayleighovo modelové rozdělení pro stejnou průměrnou rychlost větru. náhled|Globální mapa potenciálu hustoty větrné energie
Vítr jako zdroj energie Vítr je pohyb vzduchu v zemské atmosféře. Za jednotku času, například 1 sekundu, objem vzduchu, který prošel plochou je . Pokud je hustota vzduchu , je hmotnost tohoto objemu vzduchu a přenos energie nebo přenos energie za sekundu je . Síla větru je tedy úměrná třetí mocnině rychlosti větru; Dostupný výkon se zvýší osminásobně, když se rychlost větru zdvojnásobí. Změna rychlosti větru faktorem 2,1544 zvyšuje sílu větru o jeden řád (vynásobte 10).
Globální kinetická energie větru byla v období od roku 1979 do roku 2010 v průměru přibližně 1,50 MJ/m2, 1,31 MJ/m2 na severní polokouli a 1,70 MJ/m2 na jižní polokouli. Atmosféra funguje jako tepelný motor, absorbuje teplo při vyšších teplotách a uvolňuje teplo při nižších teplotách. Tento proces je zodpovědný za produkci kinetické energie větru rychlostí 2,46 W/m2, čímž udržuje cirkulaci atmosféry proti tření.
Prostřednictvím hodnocení větrných zdrojů je možné odhadnout potenciál větrné energie globálně, podle země nebo regionu nebo pro konkrétní lokalitu. Globální atlas větru, který poskytuje Dánská technická univerzita ve spolupráci se Světovou bankou, poskytuje globální hodnocení potenciálu větrné energie. Na rozdíl od „statických“ atlasů větrných zdrojů, které průměrují rychlost větru a hustotu výkonu za několik let, nástroje jako Renewables.ninja poskytují časově proměnlivé simulace rychlosti větru a výkonu z různých modelů větrných turbín v hodinovém rozlišení.
Celkové množství ekonomicky extrahovatelné energie dostupné z větru je podstatně vyšší, než je současná spotřeba energie člověkem ze všech zdrojů. Síla větru se mění a průměrná hodnota pro dané místo sama o sobě neudává množství energie, které by zde větrná turbína mohla vyprodukovat.
Pro posouzení perspektivních větrných elektráren se často používá funkce rozdělení pravděpodobnosti, která odpovídá pozorovaným údajům o rychlosti větru. Na různých místech bude mít různé rozložení rychlosti větru. Weibullův model věrně odráží skutečné rozložení hodinových/desetiminutových rychlostí větru na mnoha místech. Weibullův faktor je často blízký 2, a proto lze Rayleighovo rozdělení použít jako méně přesný, ale jednodušší model.
Teorie větrné elektrárny
Teoreticky dosažitelný výkon 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). 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
, kde kB je Betzův koeficient 0,59
Pro reálné turbíny s průměrem rotoru D (tedy délkou lopatky D/2) se používá vzorec
, kde cp je součinitel výkonnosti, v ideálním případě rovný 0,59
Účinnost náhled|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 , definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky možnému výkonu zdroje za rok. V českých podmínkách se pohybuje v mezích 0,1–0,2, průměrně 0,2 a pro velmi větrné lokality dosahuje až 0,25.
Statisticky podle dat ČSÚ za rok 2007 dosahoval koeficient ročního využití větrných elektráren v ČR pouze 12,71 % (za rok 2005 to bylo pouze 11 %). 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 %).http://www.sternwind.at/produktion.html (archivováno)
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):
Rychlost větru v obecných podmínkách vpravo|náhled|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
, kde v je náhodně proměnná rychlost větru, je tvarový parametr rozložení a odpovídá střední hodnotě rychlosti větru
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
Velikost elektrárny 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.https://physicsworld.com/a/optimal-size-for-wind-farms-is-revealed-by-computational-study/ - Optimal size for wind farms is revealed by computational study V praxi v USA zabírají větrné elektrárny 70 akrů na produkci MW (tedy něco přes 3 W na čtvereční metr).https://www.strata.org/pdf/2017/footprints-full.pdf - THE FOOTPRINT OF ENERGY: LAND USE OF U.S. ELECTRICITY PRODUCTION
Hlučnost větrných elektráren náhled|vpravo|Typická křivka závislosti hlučnosti větrného zdroje na vzdálenosti, vyznačena hygienická hranice 40 dbA pro noční dobu
Větrné elektrárny jsou zdrojem nežádoucího hlukuWind Turbine Acoustic Noise Review 2006 . Jeho hlavními původci (zde a dále jsou uvažovány zdroje, pracující s vrtulí na nabíhající vzdušný proud) jsou aerodynamické hluky obtékání listů vrtule, gondoly a dříku stavby, turbulence, vznikající obtékáním náběžné hrany listu, víry v okolí konců vrtulových listů, turbulence nad odtokovou hranou listu a hluk laminárního proudění. Dále je hluk produkován mechanickými částmi konstrukce (servomotory a jejich převody, čerpadla, chladicí ventilátory měničů a mechanismů) a generátorem. Mimo slyšitelné pásmo v oblasti frekvencí 2–31,5 Hz (infrazvuk) je hluk větrných elektráren na úrovni přirozeného pozadí.
Šíření hluku větrného zdroje 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
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.
Infrazvuky 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.
Hluky, typické pro větrný zdroj Zdroj hluku Frekvenční rozsah Typická intenzita Charakter hluku Turbulence na koncích listu 500–1000 Hz 91,2 dBA širokopásmové hučení, modulované otáčkami listu (wish-wish) Hluk na náběžné hraně 750–2000 Hz 99,2 dBA širokopásmové svištění Hluk odtrhávání proudnic typický tón 84,8 dBA tón, měnící se dle rychlosti větru Strojovna směs hluků 97,4 dBA směs hluků, měnících se s různou periodicitou (zapínání a vypínání servopohonů, čerpadel, ventilátorů) Generátor tón 87,2 dBA tón, jehož výška se mění s otáčkami vrtule
Vliv na životní prostředí
náhled|vpravo|Kolize s větrnými turbínami je menším původcem úmrtí ptáků ve srovnání s dopady jiných lidských činností. Data pocházejí z horních odhadů Správy Spojených států pro ryby a volně žijící živočichy. náhled|Na gigawatthodinu elektřiny mají jaderné a větrné zdroje nejmenší skleníkové emise a spolu se solárními způsobují nejméně úmrtí Větrné elektrárny působí na dravé ptáky v ekosystému podobně jako jejich predátoři. Nicméně podle dat z USA a Německa zabíjí ročně násobně více ptáků kočky, než větrné elektrárny.
Větrné elektrárny způsobují míhání stínů (flicker effect), což působí na zvířata i lidi.
Technologie na výrobu energie z větru spotřebovává několikrát více minerálů než technologie mající za zdroj energie jadernou energii či spalování plynu, což úměrně zatěžuje životní prostředí těžbou surovin,https://techxplore.com/news/2022-01-demand-rare-minerals-metals-eco-dilemma.html - Demand for rare minerals and metals creates eco-dilemma pokud kovy nejsou z recyklovaného zdroje. V přepočtu na vyrobenou MWh větrná farma potřebuje k instalaci cca 2× více minerálů než jaderná elektrárna, na druhou stranu k provozu nepotřebuje doplňovat palivo. Neprodukuje sice prakticky žádný odpad z provozu, použité lopatky z turbín je ale drahé a technologicky složité recyklovat.