Větrná energie je elektřina vytvářená přirozeným prouděním vzduchu v zemské atmosféře. Protože se jedná o obnovitelný zdroj, který se používáním nevyčerpává, je její dopad na životní prostředí výrazně menší než dopad spalování fosilních paliv.
Větrnou energii lze vyrobit pomocí několika 2,5metrových plachet umístěných tak, aby zachytily převládající vítr, který pak může otáčet skálou a mlít obilí (mlýn). Nebo to může být něco tak složitého, jako je 46metrová lopatka, která otáčí generátor a vyrábí elektřinu, která se ukládá do baterie nebo se dodává do distribuční soustavy. Existují dokonce i bezlopatkové větrné turbíny.
Vítr pokrývá 6 % světové spotřeby elektřiny. Větrná energie roste každoročně o 10 % a je klíčovou součástí většiny plánů v oblasti změny klimatu a udržitelného růstu v zemích, jako je Čína, Indie, Německo a Spojené státy.
Definice větrné energie.
Auta jedou po dálnici I-580 poblíž řad větrných turbín na větrné farmě Altamont Pass v Livermore v Kalifornii.
Lidé využívají větrnou energii různými způsoby, od jednoduchého čerpání vody pro hospodářská zvířata v odlehlých lokalitách až po složitější, jako jsou tisíce turbín tyčících se nad kopci křižujícími dálnici 580 v Kalifornii (na obrázku výše).
Základní komponenty jakéhokoli systému větrné energie jsou si poměrně podobné. Lopatky určité velikosti a tvaru jsou připojeny k hnací hřídeli a poté k čerpadlu nebo generátoru, který buď využívá, nebo shromažďuje větrnou energii. Pokud se větrná energie používá přímo jako mechanická energie, například k mletí obilí nebo čerpání vody, nazývá se to větrný mlýn; pokud se větrná energie přeměňuje na elektřinu, jedná se o větrnou turbínu. Turbínový systém vyžaduje další komponenty, například baterii pro ukládání elektřiny, nebo je připojen k systému distribuce energie, například k elektrickému vedení.
Není přesně známo, kdy člověk poprvé použil vítr, ale „lodě poháněné větrem na řece Nil v Egyptě byly použity kolem roku 5000 př. n. l.“. Do roku 200 př. n. l. lidé v Číně používali vítr k pohonu vodních čerpadel a větrné mlýny s ručně vyrobenými lopatkami se používaly k mletí obilí na Blízkém východě. Postupem času se větrná čerpadla a mlýny používaly ve všech typech produkce potravin. Technologie se poté rozšířila do Evropy, kde Holanďané postavili velká větrná čerpadla k odvodňování mokřadů; a odtud se „dostala“ do Ameriky.
Základy větrné energie.
Vítr je způsoben rozdíly v tlaku mezi dvěma různými oblastmi vzduchu. Vzniká, když slunce ohřívá atmosféru v důsledku změn zemského povrchu a rotace planety. Vítr může zesílit nebo zeslabnout „pod vlivem vody, lesů, luk a změn terénu“. Povaha a rychlost větru se velmi liší v závislosti na lokalitě a ročním období, ale některé z těchto charakteristik jsou poměrně předvídatelné.
Volba místa.
Nejlepší místa pro umístění větrné turbíny jsou na vrcholcích zaoblených kopců, otevřených pláních (nebo otevřené vodě v případě větrných elektráren na moři) a horských průsmycích, kde vítr přirozeně proudí (vytváří pravidelné vysoké rychlosti větru). Obecně platí, že čím vyšší nadmořská výška, tím lépe, protože ve vyšších nadmořských výškách bývá vítr silnější.
Předpověď větrné energie je důležitá pro výběr umístění větrných turbín. Existuje mnoho map rychlosti větru a dat od různých organizací.
Poté by měl být proveden průzkum lokality, aby se posoudily místní větry a určil nejlepší směr pro umístění větrných turbín pro maximální účinnost. Rychlost, turbulence a směr větru na pevnině, stejně jako teplota a vlhkost vzduchu, se předpovídají na dobu nejméně jednoho roku. Jakmile jsou tyto informace zjištěny, lze turbíny instalovat.
Vítr není jediným faktorem při umisťování turbín. Vývojáři větrných elektráren musí zvážit, jak blízko se větrná farma nachází k elektrickému vedení (a k městům, která by mohla energii využívat); potenciální rušení letišť a letadel; skály a zlomy; letové vzorce ptáků a netopýrů; a dopady na místní komunitu (hluk a další dopady).
Většina velkých větrných projektů je navržena tak, aby vydržela nejméně 20 let, takže tyto faktory je třeba zohlednit v dlouhodobém horizontu.
Druhy větrné energie.
Síla větru
Větrná elektrárna a elektrická rozvodna.
Velké větrné projekty jsou navrženy pro použití jako zdroj energie v energetickém měřítku. Jejich rozsah je podobný uhelným nebo plynovým elektrárnám. Turbíny s výkonem větším než 100 kilowattů se obvykle instalují ve více kusech, aby se dosáhlo maximálního výkonu.
Větrná energie na moři
Větrné turbíny se nacházejí v moři poblíž Kodaně.
Obvykle se jedná o projekty větrné energie velkého rozsahu, které se nacházejí v pobřežních vodách. Dokážou vyrobit dostatek energie k napájení velkých měst (která jsou ve velké části Spojených států soustředěna poblíž pobřeží). Podle amerického ministerstva energetiky fouká vítr v pobřežních oblastech silnější než na pevnině. Potenciál větrné energie na moři ve Spojených státech je více než 2 000 gigawattů energie, což je dvojnásobek kombinované výrobní kapacity všech elektráren v USA. Podle Mezinárodní energetické agentury má větrná energie celosvětově potenciál poskytnout 18krát více energie, než se v současnosti využívá.
Malá nebo rozptýlená větrná energie.
Generátory solární a větrné energie na dřevěném domě.
Tento typ větrné energie je opakem výše uvedených příkladů. Jedná se o malé větrné turbíny, které se používají k uspokojení energetických potřeb konkrétního místa nebo lokality. Někdy jsou tyto turbíny připojeny k elektrické síti a někdy fungují samostatně. Malé instalace (5 kilowattů) mohou uspokojit některé nebo většinu potřeb domácnosti v závislosti na počasí a jejich velikosti (cca 20 kilowattů). Tyto instalace, které se nacházejí v průmyslových nebo veřejných areálech, jsou součástí systému obnovitelných zdrojů energie, který může zahrnovat i solární, geotermální nebo jiné zdroje energie.
Jak funguje větrná energie?
Funkcí větrné turbíny je zachycovat kinetickou energii větru pomocí lopatek určitého tvaru (který se může lišit). Když vítr „proudí přes lopatky, zvedá je, stejně jako když zvednete plachtu, abyste tlačili loď.“ Tento tlak větru způsobí, že se lopatky otáčejí a pohánějí hnací hřídel, ke které jsou připojeny. Tato hřídel pak otáčí nějakým čerpadlem – buď přímo pohybuje kusem kamene po obilí (větrný mlýn), nebo tuto energii tlačí do generátoru, který vytváří elektřinu, kterou lze okamžitě použít nebo uložit do baterie.
Proces vytvoření systému výroby energie (větrné turbíny) zahrnuje následující kroky:
Vítr uvádí lopatky do pohybu.
V ideálním případě by se větrný mlýn nebo větrná turbína umístila tam, kde vítr fouká pravidelně a konzistentně. Vibrace vzduchu tlačí speciálně navržené lopatky, které „umožňují větru je tlačit co nejsnadněji“. Lopatky jsou navrženy tak, aby je bylo možné tlačit nahoru nebo dolů v závislosti na jejich poloze.
Kinetická energie se transformuje.
Kinetická energie je volná energie, která pochází z větru. Aby bylo možné tuto energii využít nebo uložit, musí být přeměněna na využitelnou formu energie. Kinetická energie se přeměňuje na mechanickou energii, když vítr naráží na lopatky větrného mlýna a tlačí na ně. Fyzický objekt pohybovaný lopatkami pak otáčí hnací hřídelí – tuto energii lze nyní zachytit.
Vyrábí se elektřina.
Ve větrné turbíně je rotující hnací hřídel spojena s převodovkou, která stokrát zvyšuje rychlost otáčení, což následně roztáčí generátor. Tato rotace pohybuje vnitřní hřídelí spojenou s převodovkou, čímž se rychlost otáčení stokrát zvyšuje. V důsledku toho se ozubená kola otáčejí mnohem rychleji než lopatky hnané větrem. Když tato ozubená kola dosáhnou dostatečně vysoké rychlosti, mohou pohánět generátor, který vyrábí elektřinu. Převodovka je nejdražší a nejtěžší částí turbíny a inženýři pracují na generátorech s přímým pohonem, které mohou pracovat při nižších rychlostech (takže nepotřebují převodovku).
Transformátor přeměňuje elektřinu.
Elektřina vyráběná generátorem je střídavý proud. V závislosti na místních potřebách může být k jeho přeměně na jiné napětí zapotřebí transformátor.
Elektřina se spotřebovává nebo ukládá.
Elektřinu vyrobenou větrnou turbínou lze využít na místě (pravděpodobněji v případě malých nebo středních větrných projektů), dodat do elektrické sítě k dalšímu využití nebo uložit do baterie.
Efektivnější rozvoj systémů pro ukládání energie je klíčem k budoucnosti větrné energie. Zvýšená skladovací kapacita znamená, že v dny, kdy je méně větru, ji může doplnit uložená elektřina.
Co je větrná turbína?
Větrná farma je soubor větrných turbín, které tvoří elektrárnu vyrábějící elektřinu z větru. Neexistuje žádný oficiálně stanovený počet turbín pro větrné farmy, takže mohou zahrnovat několik nebo stovky větrných turbín pracujících současně ve stejné oblasti, na souši nebo na moři.
Pět největších větrných elektráren na světě se nachází v Číně, kde se nachází také osm z deseti největších větrných elektráren, první desítku uzavírají také Alta Wind Energy Center v Mohavské poušti v USA a Muppandal Wind Park v Indii.
Kan-su v Číně, největší větrná farma na světě, vyrábí 6800 1000 megawattů elektřiny, ale není využívána na plný výkon, protože se nachází XNUMX XNUMX kilometrů od měst, což zdůrazňuje důležitost umístění parku při výběru místa pro větrnou farmu.
Výhody a nevýhody větrné energie.
výhody:
- Při správném umístění může větrná energie vyrábět levnou a čistou elektřinu v 90 % případů.
- Větrná elektrárna produkuje minimum odpadu, není potřeba zásobování vodou pro chlazení zařízení a nevznikají žádné odpadní vody.
- Po instalaci mají větrné turbíny nízké provozní náklady.
- Je to flexibilní technologie: můžete použít malou turbínu k napájení domu nebo farmy, velkou turbínu pro průmyslové využití nebo flotilu obřích turbín k vytvoření zdroje energie v měřítku elektrárny pro město.
nevýhody:
- Stabilita větru se může lišit. Příliš slabý nebo příliš silný vítr navíc způsobí vypnutí turbíny.
- Turbodmychadla mohou být hlučná v závislosti na svém umístění a některým lidem se nelíbí, jak vypadají.
- Větrné turbíny škodí volně žijícím živočichům, zejména ptákům a netopýrům.
- Větrné turbíny mají vysoké počáteční náklady, ale jejich investice se poměrně rychle zaplatí.
Vítr je pohyb vzduchu pohybující se z oblasti vysokého atmosférického tlaku do nižší. V některých částech planety fouká vítr téměř neustále, jinde je zase častěji naprostý klid. Existují větry, které mohou měnit svůj směr v závislosti na ročním období nebo denní době. Řekneme vám, jak vítr vzniká, jaké rychlosti může dosáhnout a jaké větry jsou považovány za místní.
Co je vítr
Foto: ViChizh / Shutterstock / FOTODOM
V zemském ekosystému je vítr globálním vyrovnávačem atmosférického tlaku; stvořitel a ničitel
Vítr je pohyb vzduchu, který se vyskytuje vzhledem k zemskému povrchu, v určitém směru a různou rychlostí [1]. Není vidět, držet nebo zastavit. Ale lidé, jako všechno na planetě, cítí její sílu – od světelných úderů až po ničivé poryvy. Z meteorologického hlediska je vítr přírodním jevem, ke kterému dochází, protože Země má atmosféru. Některé větry jsou konstantní, jiné se vyskytují sezónně.
- Ovlivňuje klima a topografii Země. Vítr přenáší teplo, vlhkost a chlad na stovky kilometrů, což přímo ovlivňuje počasí v konkrétní oblasti. Působí také na terén odfouknutím volné půdy. Tak vznikají duny a duny.
- Pomáhá fauně a flóře. Vítr nese semena mnoha rostlin. Takto migrují různé druhy flóry po planetě a usazují se na nových místech, což podporuje biodiverzitu. Při lovu se navíc mnoho zvířat spoléhá na pachy přenášené větrem.
- Slouží jako zdroj energie. Od pradávna námořníci využívali sílu větru k cestování pod plachtami. Díky němu fungovaly obilné mlýny. V dnešní době je vítr jedním ze zdrojů čisté, obnovitelné energie. K přeměně kinetické síly větru na sílu elektrickou se používají speciální větrné turbíny.
- Přináší destrukci. Silné bouře nebo hurikány mohou za sebou zanechat katastrofální škody. Ve většině případů se lidé naučili předvídat příchod silných větrů, ale lidstvo se před nimi nedokáže zcela ochránit.
- Fanoušci pálí. Vítr nese velké masy vzduchu bohatého na kyslík. Pokud někde vypukne požár a zafouká vítr, oblast požáru se rychle zvětší. Nejtěžší je uhasit požár, když fouká vítr.
Proč fouká vítr
Vítr fouká, protože povrch Země je zahřátý nerovnoměrně. To určuje rozdíl atmosférického tlaku [2]. Nejvýraznějším příkladem je rovník a póly, na které dopadají sluneční paprsky pod různými úhly. Lokálně je výskyt větrů ovlivněn terénními vlastnostmi: hory, velká jezera a moře, stepi.
Horký vzduch je méně hustý, vždy směřuje nahoru, a když se ochladí, klesá. Zejména vzduchové hmoty zahřáté na rovníku migrují k pólům, to znamená do oblasti nízkého tlaku. Globálně se nad zemským povrchem směrem k rovníku pohybuje chladnější a hustší vzduch. Hranice mezi těmito oblastmi se nazývá fronta, vznikají v ní různé povětrnostní jevy: cyklóny a anticyklóny s různým počasím [3].
Dalším příkladem je mořský vánek [4]. Vzniká z rozdílu teplot mezi pevninou a vodou. Vzduch ohřátý nad zemí během dne expanduje a pohybuje se nahoru. Jeho místo zaujímá chladnější a hustší voda z moře. Za soumraku se situace mění: voda ohřátá během dne dlouho zadržuje teplo a země se rychleji ochlazuje. To způsobí, že vítr změní směr: v noci fouká vánek směrem k moři [5].
Směry větru
Směr větru je označen světovými stranami (horizontem), ze kterých vane: jih, sever, východ a západ. Samostatně se používá detailing například jihovýchod nebo severozápad. Když tedy předpověď počasí říká, že vítr je jižní, znamená to, že fouká od jihu. Směr větru je ovlivněn několika silami [6]:
- Tlakový gradient – vyrovnává tlak a nutí vzduch pohybovat se z oblasti vysokého tlaku do oblasti nízkého tlaku.
- Coriolisova síla – vzniká rotací Země a způsobuje, že se objekty pohybující se lineárně odchylují vpravo nebo vlevo na různých polokoulích.
- Tření — povrch Země je heterogenní, což znamená, že vítr se může zpomalit a také se sbíhat a rozbíhat v různých vrstvách.
Určete směr větru pomocí korouhvičky. Jedná se o mechanismus pohyblivých prvků udávajících světové strany. Na jednom konci korouhvičky je namontována široká deska – vítr ji tlačí a otáčí šipkou korouhvičky ve směru jejího pohybu.
V meteorologii se také používají větrné růžice – vektorové diagramy, které ukazují hlavní směry větru pro konkrétní oblast. Jsou sestaveny na základě výsledků dlouhodobých pozorování. Ve vztahu ke konkrétní lokalitě může být větrná růžice roční, sezónní nebo pro konkrétní měsíc. Tyto údaje jsou následně zohledňovány např. při výstavbě letišť [7].
