Malé větrné elektrárny pro lokální aplikace

Hlavní linii větrné energetiky v současné době tvoří velké větrné elektrárny, jak je známe z fotografií krajiny. Ale zajímavé jsou i tzv. malé větrné elektrárny. Z hlediska nákladů na vyrobenou energii se nemohou s velkými zdroji rovnat, ale jejich význam spočívá v lokálních aplikacích, například za účelem zajištění energetické soběstačnosti budov.

Mezi velké větrné elektrárny (VtE) lze zařadit ty, jejichž průměr rotoru přesahuje 45 m a výkon 750 kw. Větrné elektrárny s rotorem o průměru do 16 m a výkonem do 60 kW můžeme zařadit mezi malé. V praxi se spíše mluví o „větrných elektrárnách“ při výkonu od 100 kW výše a o „malých větrných elektrárnách“ při výkonu nižším.

Málo používaná kategorie mezi těmito rozměry je někdy označována jako střední větrné elektrárny, tento pojem se ale příliš nepoužívá. VtE zejména v kategorii 50-300 kW jsou dnes spíše raritou, neboť se většinou nehodí ani pro zásobování objektů, ani pro výrobu elektřiny do sítě.

 

Horizontální osa rotace

Současné (velké) VtE jsou z hlediska základních prvků dosti sjednocené. V naprosté většině aplikací se jedná o třílisté „vrtule“ s horizontální osou rotace, a rotorem obráceným vstříc proudění vzduchu. Základními konstrukčními prvky takové elektrárny jsou stožár, rotor a strojovna. Taktéž v případě malých VtE je nejčastěji používaným principem použití rotoru s horizontální osou rotace. Na rozdíl od velkých VtE je však jejich konstrukce podstatně jednodušší a objevuje se zde širší spektrum používaných řešení.

Dílčí modifikací je použitý počet listů rotoru. Teoreticky platí „čím méně, tím lépe“, neboť elektrárna s menším počtem listů může dosáhnout teoreticky vyšší účinnosti. V praxi však takové pravidlo nefunguje, neboť nižší počet listů současně vyžaduje vyšší rychlost otáček, což má za následek vyšší hlučnost i namáhání soustrojí. Vedle toho je nevýhodou málolistých rotorů jejich relativně vysoká startovací rychlost, což získává na významu, vezmeme-li v úvahu nízké rychlosti větru ve výšce dostupné pro malé VTE. Proto je i v případě malých VTE sice třílistý rotor určitým standardem, lze se ale setkat i s vícelistými elektrárnami, kdy je vyšší váha a celkově nižší účinnost vyvažována relativně vyšší výrobou energie při nízkých rychlostech větru.

Samotný rotor může být předmětem dalších modifikací, například co se týče tvaru listů či natočení elektrárny vůči proudění (návětrné vs. závětrné, aktivní vs. pasivní natáčení). V některých případech je součástí elektrárny aerodynamický „tunel“, zvyšující rychlost proudění natékajícího na rotor.

 

Vertikální osa rotace

Zcela odlišnou kapitolou jsou větrné elektrárny s vertikální osou rotace. Jejich výhodou je, že odpadá potřeba natáčení elektrárny proti směru větru a ve většině případů jsou tyto elektrárny také tišší a konstrukčně jednodušší. Mezi nevýhody patří mimo jiné nižší účinnost těchto elektráren. Obecně se koncepce založené na vertikální ose rotace nehodí pro výstavbu velkých VTE, v případě malých VTE však tvoří zajímavou a často praktickou alternativu.

Mezi elektrárnami s vertikální osou rotace lze vyčlenit dvě specifické, nejčastěji používané koncepce:

Savoniova turbína využívá rozdílného koeficientu odporu proudícího média, působícího na vydutou a vypuklou plochu. Její rotor je tvořen dvojicí či větší sérií lopatek polokruhovitého nebo ledvinovitého tvaru. Konkrétní podoba turbíny může mít různé podoby, na jejím principu funguje například klasický Robinsonův kříž používaný pro měření rychlosti větru, jehož analogii ve větším rozměru najdeme i mezi komerčně nabízenými malými VtE. Častěji se však lze setkat s elektrárnou, tvořenou dvojicí či trojicí lopatek, jejichž vnitřní okraje zasahují až za střed rotoru, a tak umožňují průtok média mezi jejich zadními stranami. Existence mrtvého úhlu se řeší šroubovitým tvarem lopatek, výsledkem je pak elegantní „tančící“ tvar rotoru. Savoniova turbína má obecně dosti malou účinnost, mezi její výhody však patří jednoduchost výroby i provozu, spolehlivost a výroba energie již při nízkých rychlostech větru. Savoniova turbína je tak nejčastěji využívána v minielektrárnách o výkonu do 1 kW, například pro zásobování odlehlých zařízení s nízkou spotřebou či k ryze reklamním účelům, existuje však i výrobce, nabízející elektrárny založené na tomto principu o výkonu až 10 kw.

Darreiova turbína využívá mnohem složitějšího aerodynamického principu získávání energie. Její konstrukce sestává z vertikálně orientovaných listů (zpravidla dvou), které rotují kolem svislé osy. Turbína získává energii teprve v rotujícím stavu, zastavenou elektrárnu je tedy nutno nejprve uměle roztočit.

Teoretická účinnost Darreiovy turbíny je shodná s „klasickými“ větrnými elektrárnami, v praxi je však z řady technických důvodů mírně nižší. Kvůli snížení namáhání elektrárny jsou zpravidla listy zakřiveny tak, že na horním a dolním konci přiléhají k centrálnímu sloupu, vytváří tak typický tvar „šlehače na vejce“. Vedle této typické podoby existuje i řada modifikací založených na stejném aerodynamickém principu. Jednou z nich je jednodušší uspořádání listů do tvaru H, v takovém případě je však nutná robustnější konstrukce listů i samotné elektrárny. Jinou variantou je uspořádání listů, nejčastěji tří, do spirály, kdy dochází k omezení hluku a vibrací elektrárny.

 

Nosná konstrukce

Nedílnou součástí větrné elektrárny je její nosná konstrukce. V současné době se nejčastěji setkáváme s mírně kónickými ocelovými tubusy, u nejvyšších stožárů se objevují i stožáry betonové, případně kombinované z oceli a betonu.

V případě malých VtE se často jedná o mobilní vícedílné stožáry umožňující snadný transport, montáž i demontáž, někdy doplněné systémem opěrných lan. Další možností jsou v minulosti běžné příhradové nosné konstrukce, které nyní zažívají určitou renesanci zejména pro největší výšky stožárů.

V některých případech může být výhodné umístění malé VtE na střechách budov či v jiné pozici vůči velkým stavbám (vedle stožáru, pod mostem). V takových případech je nutno navrhnout nosnou konstrukci individuálně, pro výstavbu na plochých střechách budov se zpravidla jedná o nízký stožár se širokou opěrnou základnou umožňující stabilitu.

 

Využití energie

Spektrum využití malé VtE se liší v závislosti na velikostní a výkonnostní kategorii.

První skupinu tvoří mikrozdroje s průměrem rotoru do 3 m a nominálním výkonem do 2 kW. Tyto elektrárny lze využít k nabíjení baterií, které pak mohou sloužit jako skromný zdroj energie v místě bez připojení do elektrické sítě. Například na chatě ve větrné lokalitě může taková sestava posloužit pro občasné napájení osvětlení, radiových a televizních přijímačů či jiných nenáročných spotřebičů. Jiným využitím je napájení technologických zařízení v odlehlých lokalitách. V místě s připojením do rozvodné sítě může takový mikrozdroj sloužit jako reklama a současně jako drobný příspěvek ke snížení spotřeby elektrické energie odebírané ze sítě.

Druhou skupinou jsou již větší zařízení s průměrem rotoru od 3 do 10 m a s nominálním výkonem do 20 kW. Tato zařízení již mohou již sloužit ke komplexnímu zásobení elektřinou. V závislosti na velikosti elektrárny a větrnosti lokality může taková malá VtE pokrýt spotřebu menší domácnosti, ale třeba i větší horské chaty. Přebytky výkonu je možné využít na ohřev teplé vody v zásobníku. V místě bez připojení k síti je běžná kombinace malé VtE s dieselovými agregáty, pokrývajícími málo větrná období. V případě dostupnosti elektrické sítě lze vyrobenou elektřinu dodávat za zvýhodněnou výkupní cenu do sítě, takové využití malé VtE však má ekonomické opodstatnění pouze v extrémně větrných lokalitách.

Elektrárny o výkonu přes 20 kW jsou spíše výjimkou, nicméně pro ně platí přibližně stejná pravidla jako pro předchozí skupinu. V případě lokálního zásobování se v této souvislosti hovoří o tzv. ostrovních systémech, doplnění větrné elektrárny dalším energetickým zdrojem je však již v tomto případě pravidlem.

 

Mgr. David Hanslian

Celý článek je uveřejněn v čísle 6/11 časopisu Energie 21

 

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *