Větrné elektrárny

Vítr patří k jednomu z historicky nejstarších využívaných zdrojů energie. V 5. tisíciletí před naším letopočtem lidé využívali energii větru k plavbě po moři. Poprvé se o větrném mlýnu zmínil Héron Alexandrijský v prvním století před n. l. Až za dalších osmset let byl první větrný mlýn postaven v Číně a Persii. V Čechách, na Moravě a ve Slezsku sahá historie větrných mlýnů až do středověku. Svědčí o tom mnoho známých lokalit, které postupem času zanikly a byly nahrazeny zařízeními poháněnými elektrickým proudem.

Ve srovnání s výkonem člověka je výkon větru úctyhodný. Vítr v plachtách lodí nahradil úmornou práci desítek veslařů. Ve srovnání s výkony motorů, které pohánějí moderní lodě, to je ovšem velmi málo. V Evropě se pravděpodobně objevily větrné mlýny kolem roku 820 v době vlády Ludwiga Pobožného. První písemné zprávy jsou z roku 1222 z Kolína nad Rýnem, kde byl mlýn postaven na hradní zdi. První větrný mlýn na našem území stál v zahradě Strahovského kláštera v Praze od roku 1277.

Větrný mlýn v Ruprechtově.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Miloš Pospa. Under Creative Commons.

K výrobě elektrické energie se využívá kinetická energie větru. Aerodynamické síly působí na listy rotoru a tím vzniká rotační kinetická energie, která se mění na energii elektrickou. Větrné kolo tak vzdušný proud brzdí. Největší účinnosti se dosáhne při zpomalení vzdušného proudění na třetinu. Z toho pak plyne teoretický limit všech větrných kol, formulovaný poprvé v roce 1926: maximální teoretická účinnost je 59 %. Otáčky kola jsou zpomalovány třením v jeho vlastním mechanismu, třením větru a vznikem vírů. Navíc se konce lopatek vždy pohybují rychleji než jejich středové části, a proto také výsledná účinnost závisí na poměru rychlosti, jakou se otáčejí konce lopatek, a rychlosti větru.

V České republice se nenachází tolik vhodných lokalit pro stavbu větrných elektráren, tak jako například v Dánsku, kde větrné elektrárny pokrývají 3 % v celkové výrobě elektrické energie, ale i přesto je u nás mnoho lokalit vhodných pro jejich stavbu. První větrná elektrárna byla u nás uvedena do provozu v roce 1993. Nachází se v krušnohorské lokalitě Dlouhá louka u Oseku a její výkon je 315 kW. Jejím hlavním úkolem je poskytnout důležité informace týkající se vlivu větrných elektráren na životní prostředí. Středem zájmu těchto měření se mimo jiné stalo působení hluku na okolí.

Větrné elektrárny v dánském Vendsysselu.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Tomasz Sienicki. Under Creative Commons.

Dnešní větrné elektrárny se od starověkých větrných mlýnů značně liší. Jejich stavebním materiálem není dřevo, ale beton a ocel. Jejich konstrukci můžeme rozdělit do dvou skupin: s vodorovnou osou otáčení a se svislou osou otáčení. Elektrárny s vodorovnou osou otáčení pracují na principu letecké vrtule, kde vítr obtéká lopatky, které roztáčí. Tento typ je nejrozšířenější. Druhým typem jsou elektrárny se svislou osou otáčení. Jedná se o takzvané Darreiovy turbíny. Ty dosahují mnohem větších otáček, ale na druhé straně dochází k jejich většímu mechanickému opotřebení. U obou těchto typů jsou lopatky napojeny na generátory vyrábějící elektrickou energii.

K provozu větrných elektráren je postačující vítr o rychlosti 21 – 97 km/h, tzn. mezi silou 3 a 9 Beaufortovy stupnice. Při rychlosti větší než 10 se zařízení automaticky odpojí, aby nedošlo k jeho poškození vlivem silného větru. Listy vrtule, čili "křídla" elektrárny, jsou zpravidla tři, vyrobená ze sklolaminátu. Jejich délka se pohybuje od 30 do 40 metrů, v poslední době i větší. Při 25 otáčkách za minutu dosahují za provozu konce křídel rychlosti přes 300 km/h! Jejich natáčení kolem vlastní podélné osy je jedním z prvků regulace chodu elektrárny.

Větrník nebo-li větrná turbína je stroj, který přeměňuje kinetickou energii větru na mechanickou energii. Jestliže je mechanická energie používána přímo strojem (např. jako čerpadlo nebo pohon mlýnských kamenů), pak se takové zařízení označuje jako větrný mlýn. Když je mechanická energie přeměňována na elektrickou energii, pak se stroj nazývá větrný generátor.

Podle aerodynamického principu dělíme větrné motory na vztlakové (vrtule, Darrieův rotor, mnohalopatkový rotor) a odporové (např. větrný mlýn, plachetní větrné kolo a Savoniův rotor). Odporové motory jsou z historického hlediska starší. Jejich princip je jednodušší, ale jejich účinnost dosahuje maximálně 20 %, proto se s jejich využitím v energetice nepočítá. Odporové motory využívají různého odporu vůči proudícímu vzduchu a tím i rozdílu sil působících na lopatky. Toho je docíleno buď různým tvarem lopatek (miskové lopatky) nebo jejich natočením. Účinnost vztlakových motorů dosahuje až 59,3 %.  Vztlakové motory není třeba natáčet do směru převládajícího větru. Využívá síly, které vznikají na rotorovém listu při obtékání vzduchem, tzv. aerodynamické vztlakové síly. Tato síla vzniká díky speciálně tvarovanému profilu lopatek, podobně jako na křídlech letadla.

Podle směru osy rotace rozdělujeme větrné motory na vodorovné a svislé. Elektrárny se svislou osou otáčení se v praxi moc nerozšířily, protože u nich dochází k mnohem vyššímu dynamickému namáhání, které snižuje jejich životnost. U turbín se svisle uloženým rotorem odpadají problémy s odstavením rotoru při velké rychlosti větru. Systém Darrieus má  navíc tu přednost, že celé velmi hmotné technické zařízení spočívá nízko pod rotorem, což zvyšuje stabilitu konstrukce.

Nejrozšířenějším typem jsou elektrárny s vodorovnou osou otáčení, které pracují na vztlakovém principu. Vítr obtéká lopatky s profilem podobným letecké vrtuli. Při stejném průměru rotoru v zásadě platí přímá úměrnost mezi počtem lopatek a frekvencí otáčení. Nejčastěji tyto elektrárny mají tři lopatky, ale používají se i rotory s jednou lopatkou. Jejich výhodou je, že u nich nedochází k nežádoucímu rozkmitání velkých větrných generátorů. Při otáčení listu je rozdíl v rychlosti větru v horní a spodní části krutu, který opisuje dvoulistá vrtule. Ty mohou dosahovat až 2,8 m/s. Na každou polovinu pak působí jiné síly, které turbínu rozkmitají. Jednolistou vrtuli lze navíc dokonale vyvážit protizávažím.

Konstrukce větrné elektrárny je koncipována tak, aby při rychlosti okolo 15 m/s (54 km/h) bylo možné dosáhnout maximální energetické účinnosti. Konstrukce s maximální produkcí při vyšší rychlosti větru se nevyplácí, důvodem je nízký výskyt větrů s vysokou rychlostí proudení. V okamžiku silného větru, dochází k regulaci, popřípadě k odstavení větrné elektrárny, aby nedošlo k jejímu poškození.

Zajímavost z techniky:
Alternativní koncepcí využití větrné energie jsou létající (nebo vznášející se) větrné elektrárny. Jedná se o široké spektrum technologií, které mají za cíl využít vzdušné proudění ve velkých výškách řádově stovek metrů až jednotek kilometrů nad zemským povrchem. K dosažení větších výšek lze používat létajících padáků nebo vznášejících se objektů, které jsou ukotveny k zemi. Příkladem může být projekt firmy Altaeros Energies s názvem BAT (Buoyant Airborne Turbine).

Větrná elektrárna BAT.
Zdroj: www.altaerosenergies.com.