Vývojem v konstrukci a uspořádání se podařilo odstranit většinu problémů a neblahých vlivů hlavně na populaci, žijící v těsné blízkosti větrných elektráren. Tento článek se nyní pokusí stručně odůvodnit využití větru a uvést přehled nejčastějších větrných turbín. Příspěvek byl také prezentován na mezinárodní konferenci NZEE 2012.
Pro relativně stabilní teplotu na naší planetě je důležitá energetická bilance mezi přijatou a spotřebovanou energií. Hlavní zdroj energie této planety je Slunce, jen velmi malou měrou pak přispívá geotermální energie – viz obr. 1. A proč právě větrná energie? Dvě procenta z celkového vstupu jsou totiž přeměněna na vítr a to celých 3 600 TW, což je přibližně 1 500 krát více, než byla světová spotřeba elektrické energie v roce 2010 [1, 2].
Obr. 1: Energetická bilance Země [1]
Typy větrných elektráren
Síla větru byla využívána už v dávných dobách hlavně pro pohon plachetnic. Velké využití měly větrem poháněné mlýny v Persii, ze které se poté rozšířily po celém islamistickém území a Číny. V Evropě se větrné mlýny objevily až v jedenáctém století a o dvě desetiletí později se staly důležitým nástrojem hlavně v Holandsku. K rozvoji západní Ameriky velkou měrou přispěly větrem poháněné vodní pumpy, mlýny a pily. Nástupem parních motorů bylo využívání větru značně omezeno.
První významná větrná turbína, postavená speciálně pro výrobu elektrické energie, byla vyrobena Charlesem Brushem v Clevelandu, Ohio. Elektrárna pracovala 12 let od roku 1888 do roku 1900 a dodávala elektřinu pro jeho panské sídlo [1].
Větrné turbíny s pastí
U těchto turbín je vítr nucen proudit v daném směru a je jednoduše směřován na povrch tak jako u plachetnic. Je samozřejmé, že se povrch, na který vítr dopadá, nemůže pohybovat rychleji než samotný vítr. Stará Perská turbína byla turbína s pastí, kde k vertikální ose byly připevněny horizontální ramena a poblíž krajů ramen byla postavena svislá stěna, díky které byl vítr směřován na lopatky turbíny. Šikmá stěna nutila vítr působit pouze na jednu stranu turbíny a vytvářela tak moment síly – viz obr. 2a [1]. Nejznámější moderní a také nejjednodušší turbína tohoto typu je tzv. Savoniova turbína – viz obr. 2b. K rotaci dochází tak, že vypouklá strana nabízí menší plochu pro zachycení větru než vydutá strana. Pro větší účinnost okraje lopatek směřují až za střed rotace a tím umožňují průtok média na zadní stranu. Savoniovy turbíny bývají použity jako senzory v anemometrech nebo jako startéry pro turbíny se svislou osou [1, 3].
Obr. 2: a) konstrukce Perské turbíny - pohled z vrchu, b) konstrukce Savoniovy turbíny
Vztlakové větrné turbíny
U vztlakových zařízení vítr generuje sílu kolmou na svůj směr. Nejznámější jsou větrné turbíny s horizontální osou (obr. 3a), bývají v provedení s trychtýřem pro nasměrování větru (hlavně menší elektrárny s nižšími výkony) nebo bez (velké elektrárny s vysokými výkony). U těchto turbín se list rotoru může pohybovat mnohem rychleji než samotný vítr, který na něj působí. Všimněme si, že vrtule pohánějící hřídel, která dodává energii, je vysoko nad zemí. Toto si vyžaduje dva typy řešení: buď je generátor elektřiny umístěn na vrcholu stožáru za vrtulí, nebo je síla, pomocí dlouhé tyče s příslušnými ozubenými koly, přenesena ke generátoru, který je umístěn na zemi. První řešení vyžaduje mohutnější stožár a upřednostňuje se, protože přenos mechanické síly na velké vzdálenosti je složitý a nákladný. Instalace generátoru na vrchol stožáru ale zvyšuje hmotnost celé části, která se musí otáčet při změně směru větru.
Některé větrné turbíny mají vrtule ve směru po proudu nebo proti proudu vzduchu. Bylo zjištěno, že umístění proti proudu vzduchu snižuje hlučnost celého zařízení. Svislé uspořádání turbíny neumožnuje jenom umístění generátoru na zem, ale není třeba systém natáčet pokaždé při změně větru – jedná se o vztlakové turbíny se svislou osou. Na obr. 3c je znázorněna větrná turbína zvaná Gyromill, turbína by byla schopna vyrobit až 120 kW, nebyla však nikdy komercializována. Hlavní nevýhoda je odstředivá síla, která způsobuje permanentní stres na listy turbíny. Elegantní cesta jak odstranit tento stres je vytvarovat listy do křivky rotujícího lana upevněného na vrcholku a spodku rotující hřídele. Turbíny s listy ve tvaru křivky „troposkin“ poprvé navrhl francouzský inženýr Derrieus, podle něhož se tyto turbíny nazývají (obr. 3b) [1, 4].
Obr. 3: a) větrná elektrárna s horizontální osou, b) větrná elektrárna Derrieus, c) větrná elektrárna Giromill
Větrné turbíny, pracující na Magnusově jevu
V dostatečné vzdálenosti od rotující tyče není proud vzduchu narušen; tedy se pohybuje rychlostí větru. Jakmile se ale dostane do kontaktu s tyčí, vzduch se po jedné straně pohybuje v opačném směru, než je směr větru, drsnost povrchu tyče způsobuje tření, které strhává vzduch ve směru své rotace. Rychlost tohoto vzduchu je stejná jako rychlost tyče a vznikne gradient rychlosti. Na opačné straně tyč urychluje vzduch po směru své rotace. Vzduch poté proudí rychleji, než je rychlost větru. Podle Bernoulliova zákona vyšší rychlost vzduchu na jedné straně způsobí pokles tlaku než pomalejší vzduch na protější straně a vzniká síla působící na tyč. Vznik této síly, výsledek aerodynamické reakce na rotující předmět, se nazývá Magnusův jev – viz. obr. 4a. Síla je úměrná ω x v (vektorově), kde ω je úhlová rychlost tyče a v je rychlost větru. Magnusův jev kromě jiného způsobuje i zakřivení letu míčku v baseballu. Zařízení na Magnusově jevu byly navrženy pro nízké rychlosti větru, pracují od rychlosti 3 m∙s-1 při průměrné rychlostí větru 6 m∙s-1 je výstupní výkon 20 kW a turbína pracuje s účinností větší než 50 % – viz obr. 4b [1, 5, 6].
Obr. 4: a) Magnusův jev, b) koncept větrné turbíny, pracující na Magnusově jevu
Poděkování
Tato práce byla podporována projektem FRVŠ 2227/2012/G1 Měřící pracoviště pro zkoumání charakteristik energie větru a jeho aplikace do výuky a specifickým výzkumem FEKT-S-11-7 Materiály a technologie pro elektrotechniku.
Literatura
[1] Da Rosa Aldo V. Fundamentals of Renewable Energy Processes, 2nd Edition. Elsevier 2009, 818 stran, ISBN: 978-0-12-374639-9.
[2] International Energy Statistics [online] URL:< http://www.eia.gov/cfapps/ipdbproject/IEDIndex3.cfm?tid=2&pid=2&aid=2 > [cit. 2012-4-22].
[3] Akwa J. V., Vielmo H. A., Petry A. P., A review on the performance of Savonius wind turbines, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 3054– 3064.
[4] Ohya Y., Karasudani T., Sakurai A., Abe K., Inoue M. Development of a shrouded wind turbine with a flanged diffuser, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96 (2008) 524–539
[5] Mecaro [online] URL:< http://www.mecaro.jp/eng/ > [cit. 2012-4-29].
[6] Drábková S. a kolektiv, Mechanika tekutin, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava. Učební text 260 stran.
Autoři
- Josef Máca, Pavel Abraham, Petr Bača, Vysoké učení technické v Brně, e-mail: xmacaj00@stud.feec.vutbr.cz
Ilustrační foto: Petr Kratochvil
Komentáře
opravte si chybku
TW není jednotka energie, ale výkonu. Potom by bylo dobré u obrázku "energetické" bilance Země upřesnit, zda jde například o průměrnou výkonovou bilanci (nikoli energetickou). Že Vám to nerve srdce, udělat takový kiks.