Společnost Rolizo v minulých několika letech řešila (s částečnou dotační podporou ze státního programu OPPIK a ve spolupráci s TUO VŠB Ostrava) vývoj nového typu malé větrné elektrárny. Cílem bylo vytvořit rotor se svislou osou rotace a pružnými vztlakovými lopatkami. První informaci o projektu jsme přinesli v Energii 21 č. 4/2018. V tomto čísle přinášíme informaci o jeho pokračování v letech 2018 až 2021: vývoj a výroba modelů, prototypů, měření a výsledný numerický model.
Výtah z článku, který vyšel v časopise Energie 21 č. 5/2021.
Smysluplnost využití větrné energie vychází z předpokladu, že pro současné potřeby lidstva je na Zemi k dispozici 1,7x více využitelné energie z větru. Převážná místa vanutí silných větrů jsou však na pólech, v přímořských oblastech, na ostrovech v horách a jiných hůře dostupných místech planety. Problém je tedy postavení větrných elektráren (VtE) na těchto nedostupných, vzdálených místech, výstavba vysokých, drahých sloupů, jejich provoz, údržba a přenos vyrobené elektrické energie.
Výkon VtE je dán průmětovou plochou rotoru a třetí mocninou rychlosti větru (což souvisí i se stabilitou sloupu) a konstrukcí vlastního rotoru. Limitní hodnota účinnosti současných VtE je daná tzv. Betzovou konstantou 0,5926. Zatím se totiž nepodařilo lépe využít turbulencí, případně difuze a podtlaku na závětrné straně. Nelze však předpokládat, že z 1 m2 plochy rotoru získáme při rychlosti 10 m/s výkon větší než 200–300 W. Snahou je tedy především optimalizovat stávající soustavy rotor-generátor-odběr.
Jak již bylo popsáno i v našem článku v Energii 21 č. 4/2018, teorie dalšího možného zvýšení výkonu malých větrných elektráren (MVtE) vychází z principu pružných částí lopatek a z předpokladu, že lopatka rotující na rameni kolem svislé osy se při otáčení staví do pozice „optimálně na vítr“.
Teorie je dostatečně dokladována numerickým modelem a porovnáním stabilních a pružných lopatek (výzkumná zpráva VŠB TUO Fakulta strojní „Numerické modelování aerodynamiky pružné lopatky a CDF modelování sil a momentů lopatkového systému v optimální geometrii lopatky“). Řešení je chráněno Průmyslovým vzorem č. 32479 z 22. 1. 2019. Vycházeje z výzkumné zprávy VŠB TUO a měření zabezpečeného fakultou strojní, katedrou elektro, bylo třeba prověřit teorii úplavu, turbulencí a vyrobit nový typ rotoru. Toho se ujala společnost Rolizo, spol. s r. o., ze severní Moravy.
Legislativa pro povolení stavby VtE v České republice je velmi složitá, proto, pro testování byla zvolena VtE do průmětu výkonové plochy 5 m2, která podléhá pouze ohlašovací povinnosti. Na zahradě jsme postavili sloup vysoký 3,5 m a probíhala výroba, ověřování a úpravy 10 modelů.
Po skončení dotovaného projektu jsme instalovali finální konstrukci rotoru Rolizo 5: Celková výška nad zemí je 25 m, plocha lopatek 5, m2, alternátor OTGET 620 1kW/230V/60 ot/min, regulovaný odběr. Svislé (vlečené) lopatky i šikmá výkonová ramena - Al kapka mají šíři 10 cm + pružná část polykarbonát tl.2mm o šíři 14 cm, výška 2,5 m).
Aktuální závěry z projektu:
- Vyrábět MVtE pro rychlost větru pod 5 m/s je ekonomický a technický nesmysl. Průměrná, nepravidelná rychlost větru v České republice je 4,6 m/s. Četné poryvy zvyšují náklady na sloup, pevnost lopatek a ramen. Pravděpodobnost využití větrné energie i tam, kde fouká, je 10–20 % z počtu dnů v roce. Výkony MVtE při malých rychlostech větru jsou nízké, při velkých rychlostech technicky a materiálově nezvládnutelné (a pozor: výkony malých větrných elektráren typu Lanterna, Spirála, Darrius, Savonius uváděné například na prodejních stránkách společnosti Alibaba jsou zpravidla velmi nadnesené).
- Na jednom rotoru se nedoporučuje kombinovat odporové a vztlakové lopatky. Výkon vztlakových lopatek je násobně vyšší a odporové lopatky rotor brzdí. Rotor i sloup je třeba dimenzovat pro maximální, tj. nárazovou rychlost větru v lokalitě.
- Soustava rotor-alternátor by měla pracovat bez převodů. Optimální řešení je přímé napojení rotoru na nízkootáčkový alternátor s tzv. rotujícím pláštěm, který je uzpůsoben ke kotvení lichého počtu ramen. Pokročilé řešení u větších celků je elektronika.
- Sloup se „nesmí hýbat“, při kmitech dochází ke ztrátě vztlaku. Při větší rychlosti větru narůstá délka úplavu a závětrná lopatka je téměř bez výkonu (zabírá pouze v “mezerách” a tlumí kmity.
- Svislá lopatka ve tvaru „letecké křídlo“ bude pracovat v oblasti rychlostí 30-100 km/hod. Ideální vztlaková, hladká lopatka má prohnutí horní a dolní plochy úměrné poloměru rotoru, nebo je souměrná, kapkovitá s pružným koncem, vykloněná od tečny do středu. Stejný tvar mají šikmá (výkonová) ramena, kotvená přímo do alternátoru ve stabilním trojúhelníkovém uspořádání s vlečenou, případně tlačenou, svislou lopatkou. Tímto uspořádáním lze vyrobit prostorově vyváženou soustavu. Optimálně pružnou lopatku však zatím vyrobit neumíme.
- Cena elektrárny na jednotku výkonu bude u MVtE se svislou osou rotace vždy vyšší.
- Návrh a výroba kombinovaného, vztlakového rotoru s cílem využití oblastí turbulence, případně difuze, je v současnosti předmětem dalšího vývoje.
Jaroslav Vlk, Rolizo, spol. s r. o.
Obrázky:
Hliníková, kapkovitá lopatka s pružným koncem. Foto autor
Porovnání momentů přímé a zahnuté (pružné) lopatky. Zdroj: VŠB
Poslední, 10. model: Rotor s pevnými, výkonovými rameny a vlečenou, pružnou lopatkou. Foto autor
