Věda a technika v pozadí
Závody vrtulí

Historie

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 Partutovicích.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Miloš Pospa. Under Creative Commons.

První větrná elektrárna byla u nás uvedena do provozu v roce 1993. Nachází se v krušnohorské lokalitě Dlouhá louka u Oseku a její výkon 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.

Teorie

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. 

Princip větrné elektrárny.
Zdroj: Techmania Science Center. Under Creative Commons.

Větrné motory můžeme rozdělit podle několika hledisek. Např podle aerodynamického principu na větrné motory odporové a vztlakové. Větrné motory odporové patří mezi nejstarší typy větrných motorů. Princip je založen na skutečnosti, že plocha nastavená proti větru vytváří aerodynamický odpor. Tím vzniká síla, která se mění na rotační pohyb. Tyto motory mají účinnost v rozmezí 15 – 23 %. Mezi větrné motory vztlakové patří rotory a větrná kola, která mají vodorovnou osu otáčení – rovina otáčení je kolmo ke směru větru. Účinnost těchto motorů dosahuje přes 40 %.

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. 

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.