Malé větrné elektrárny mají u nás své místo

Menší typy větrných elektráren jsou u nás zatím dosti opomíjeny. Často jsou dokonce považování spíše za chalupářské hobby, než za významnější zdroj energie. Ale je to přístup nespravedlivý a neprozíravá. Zvláště nyní, kdy se výroba energie postupně diverzifikuje, by měly dostat v médiích i na trhu mnohem větší šanci.

Za malé větrné elektrárny se považují turbíny s nominálním výkonem menším než 60 kW a s průměrem vrtulí do 16 m. Nejvýznamnější kategorií jsou malé elektrárny do 10 kW, které lze dále rozdělit na:

- Mikroelektrárny s výkonem zhruba do 2,5 kW a průměrem vrtulí od 0,5 m do 3 m. Ty vyrábějí stejnosměrný proudu při napětí 12 V nebo 24 V a jsou určeny pro dobíjení baterií pro osvětlení, k napájení komunikačních systémů, rádiových a televizních přijímačů a podobně.

- Elektrárny s výkonem v rozsahu 2,5 kW až 10 kW a průměrem vrtulí od 3 m do 8 m. Ty mají výstupní napětí 48 V až 220 V a jsou určena pro vytápění domů, pro ohřev vody, případně pro pohon elektromotorů.

Výběr typu a profilu

Současné technologie malých větrných elektráren (VE) umožňují přeměnit větrnou energii na elektřinu s vysokou účinností. Rotory mají jen minimum převodů, což přispívá k účinnosti, ekologické nezávadnosti (nejsou používány olejové náplně), snížení hladiny hluku, spolehlivost a nenáročnosti údržby.

Nejčastěji používané malé VE mají vodorovnou osu rotace a rotor se třemi listy, který pracuje na vztlakovém principu. Třílistá vrtule je nejvýhodnější vzhledem k rychloběžnosti, menšímu dynamickému namáhání rotoru a gyroskopickému momentu. Účinnost tohoto typu rotoru u malých VE je až 40 % z výkonu větru protékajícího rotorem. Malé VE s rotory se svislou osou rotace, které pracují na náporovém principu (například malé VE Ufo-Taawin, větrné pumpy a podobně s svislou osou rotace), mají účinnost v mezích 5–10 %.

Větrné elektrárny se svislou osou rotace rotorových listů se vztlakovým principem jsou obvykle doplněny například rotorem Savonius pro lepší rozběh rotoru při nízké rychlosti větru. Výhodou rotorů se svislou osou rotace je nižší hluk. Nevýhodou je větší hmotnost ale  hlavně to, že při silném větru je prakticky nelze odstavit.

Účinnost využití větrné energie závisí do značné míry také na aerodynamických vlastnostech profilu rotorových listů. Volba profilu listů ale není jednoduchá. Například aerodynamický profil, vhodný pro jeden typ větrné elektrárny, nemusí být vhodný pro jiný typ.Například rotory s laminárním profilem listů, které jinak dosahují výborných součinitelů výkonu, mohou mít problémy v místech se znečištěným ovzduším: jsou totiž náchylné na nečistoty a nastavení úhlu náběhu. Jejich účinnost tak může klesnout pod hodnoty jiných profilů s menšími součiniteli výkonů, kterým ale znečištění tolik nevadí.

Projekt malé elektrárny

Projekt malé VE lze navrhnout pro zcela konkrétní podmínky. Vedle požadovaného výkonu, kapacity akumulátorů a podobně je dalším důležitým parametrem jmenovitý výkon při jmenovité rychlosti větru. Pro příklad lze uvést porovnání tohoto parametru u dvou malých větrných elektráren různých výrobců:

- Air X 400 – malá VE vyráběná v USA (Southwest Windpower): Jmenovitý výkon 400 W je dosažen při jmenovité rychlosti větru 12,5 m/s.

-  AP400 – malá VE vyráběna v ČR (Aerplast): Jmenovitý výkon 400 W je dosažen při jmenovité rychlosti větru 10 m/s.

Základem úspěchu projektu je ale znalost větrných podmínek v místě instalace: Nejvhodnější je stanovení distribuční charakteristiky rychlosti větru na podkladě měření přímo na místě předpokládané stavby a ve výšce osy rotoru větrné elektrárny. Zjištění těchto údajů není příliš složité v evropských podmínkách, kde bývá značná hustota meteorologických stanic a letišť, kde jsou tyto údaje rovněž sledovány. Hůře se zjišťují v odlehlých destinacích. Zde je ale možno využít sledování poměrů rychlostí větru pomocí Beafourtovy stupnice, která rozlišuje 17 stupňů pro odhad rychlosti větru ve výšce 10 m nad zemí. Výhodou stupnice je praktičnost a použití bez jakýchkoliv přístrojů. Slovní označení síly větru podle Beafourtovy stupnice se používá také v meteorologii..

Hybridní zdroj elektřiny

Protože vítr si nemůžeme objednat ani jej naplánovat, je třeba tam, kde je potřebné udržet

trvalé napájení přístrojů, malou VE posílit o záložní zdroj energie. Tímto

zdrojem bývá nejčastěji solární fotovoltaický panel. Kombinací vzniká tzv. hybridní zdroj, který je z různých důvodu výhodný: Snižuje náklady na drahé a těžké akumulátory. Kapacita akumulátorovny může být nižší, neboť při absenci větru ve většině případů svítí slunce a naopak. Využívá současně dva obnovitelné zdroje energie (slunce a vítr) a vyrobenou energii (elektřinu) ukládá do jedné akumulační banky, odkud ji lze čerpat 24 hodin denně. A může pracovat jak v tzv. ostrovním provozu, tak prodávat přebytky elektřiny za výhodnou cenu do distribuční sítě (pokud tam je). Tím se urychlí ekonomická návratnost celého zařízení.

Hybridní systém s fotovoltaickým panelem se skládá z malé VE, panelu, regulátoru a

akumulátorů, která mohou tvořit akumulační banku o jisté kapacitě (Ah)..

Rotor VE je vybaven synchronním třífázovým generátorem buzeným permanentními magnety typu NdFeB pro teploty nad 120 °C. Indukované AC napětí z generátoru je připojeno na usměrňovač a regulátor, odkud následné DC napětí jde přímo na akumulátory. Výstupní napětí je například 12 V, 24 V a 48 V, nebo je možnost systém doplnit měničem napětí požadovaného výkonu a používat napětí 230 V/50 Hz, případně 110 V/60 Hz. Na regulátoru je nutno nastavit max. nabíjecí napětí dle použitých akumulátorů.

Fotovoltaický modul je připojen na svorky regulátoru, který je tímto vstupem vybaven.

Regulátor současně zabezpečuje nepřekročení maximálního napětí akumulátorů z výstupu

větrné elektrárny i fotovoltaického modulu.

Životnost malých VE je zhruba 15–20 let,  životnost fotovoltaických článků se garantuje na období 10-20 let. Hybridní systémy tak mohou pracovat dlouho, s vysokou spolehlivostí a při minimální údržbě.

JiT (Zdroj: Aerplast, s. r. o., www.vetrne-elektrarny.eu)

Celý článek je uveřejněn v čísle 2/2011 časopisu Energie 21.