Rozmanitý svět větrných elektráren

Typy větrných elektráren

Nejrozšířenější jsou elektrárny s vodorovnou osou otáčení, pracující na principu vztlaku – vítr obtéká lopatky s tvarem podobným letecké vrtuli.

Existují také elektrárny se svislou osou otáčení, některé pracují také na vztlakovém principu (typ Darreius), jiné na odporovém principu (kladou proudícímu vzduchu odpor svými lopatkami, např. typ Savonius).

3D model větrná turbíny s vertikální osou

Vertikální větrné generátory s listy rotoru umístěnými svisle nemají takovou účinnost, ale mají výhodu, že nepotřebují systém natáčení, nezáleží na směru větru, a generátor je u země, nikoli ve výšce, takže údržba je mnohem snazší.

Savoniova turbína

Jednou z nejjednodušších větrných turbín s vertikální osou je Savoniova turbína. Její účinnost je kolem 20 %. Turbínu tvoří nejčastěji dva nebo čtyři vzájemně otočené půlválce, uchycené k společné ose (tvoří v řezu písmeno S). Mají menší výkon, takže se používají spíše jen k domácímu použití. Šroubovitý tvar lopatek pomáhá turbínu roztočit i při slabém větru. Elektrárny se svislou osou otáčení se v praxi moc často nepoužívají, neboť vyšší dynamické namáhání značně snižuje jejich životnost.

Větrné elektrárny Darrieova typu s rotorem ve tvaru H

Darrieova větrná elektrárna s listy do spirály

Savoniovy turbíny v parku stylizované jako květy.

Závislost výkonu větrné elektrárny na průměru rotoru (graf je jen orientační, stroje od různých výrobců mohou dosahovat různých účinností a tím i výkonů

Jak jsou velké

Podle výkonu se větrné elektrárny dělí na:

malé do výkonu 40 kW,
střední o výkonu od 40 do 500 kW,
velké o výkonu od 500 kW výše.

Z hlediska konstrukce se od sebe značně liší minielektrárny s výkonem do 5 kW, které slouží především jako zdroj nízkého napětí pro rekreační objekty, rodinné domy apod., a elektrárny velkých výkonů (300 kW až 12 MW), určené k dodávce energie do veřejné elektrické sítě. Malé větrné elektrárny jsou výhodné v místech bez přípojky elektrického proudu. Proud obvykle vyrábějí pomocí stejnosměrných generátorů s výstupním napětím 12 nebo 24 V, které napájejí malé spotřebiče. Dá se přidat měnič, který dodá střídavý proud o napětí 230 V.

Elektrárny velkých výkonů jsou připojené do veřejné rozvodné sítě, to znamená, že nemohou (bez zvláštních úprav) pracovat jako autonomní zdroje energie. Pro snížení nákladů na projektování a výstavbu se velké elektrárny sdružují do tzv. větrných farem. V typické farmě je jich obvykle 5 až 30. Dnes už ale není výjimkou pole stovek větrných elektráren

Trend vývoje modernějších větrných elektráren směřuje ke stále vyšším strojům s větším průměrem rotoru. Vyšší stožár vynese rotor do oblasti výrazně vyšších rychlostí větru a větší rotor sbírá energii z větší plochy.

Největší větrnou turbínou na světě je v současnosti GE Haliade-X. Její prototyp stojí od roku 2019 na umělém poloostrově Maasvlakte v nizozemském Rotterdamu a má výkon 13 MW. Pokud všechny její testy dopadnou dobře, dostane certifikát pro komerční sériovou výrobu. Počítá se s jejím umístěním na moři (off-shore). Rotor Haliade-X má průměr 220 m, jedna rotorová lopatka je dlouhá 107 m a sotva by se vešla na fotbalové hřiště. Otáčky rotoru pokrývají kruh o ploše 38 000 m2 (3,8 hektaru). Tubus je vysoký 238 m. Oproti současným turbínám pro mořské větrné farmy dokáže turbína typu Haliade-X vyrobit při srovnatelných podmínkách o cca 45 % více elektrické energie. V lednu 2020 vyrobil prototyp Haliade-X rekordních 288 MWh za 24 hodin. Tolik ještě žádná větrná vrtule na světě nevyrobila. Celoroční výroba by měla pokrýt spotřebu 16 000 domácností.

Rotor Haliade-X má průměr úctyhodných 220 m

Lopatka obří elektrárny Haliade-X je téměř o dvacet metrů delší, než bylo rozpětí křídel ve své době největšího letadla Antonov An-225 Mria, které kdysi neslo na svém hřbetě i raketoplán Buran

Větrná elektrárna v Janově i s vrtulí je vysoká jako dvě Petřínské rozhledny

Příkladem běžné větrné elektrárny mohou být ty, které stojí v Janově poblíž Litomyšle. Jsou zde dva stejné stroje o výkonech po 2 MW. Každá z elektráren má rotor ve výšce 80 metrů a 80 metrů je také průměr každého z rotorů. Celková výška elektrárny až do horní polohy jednoho z listů rotoru je tedy 120 metrů. Průměr paty tubusu činí 4,3 metru. Pohodlně by skrz něj projel běžný autobus. Ocelový tubus je k základové přírubě při montáži upevněn rozebíratelným spojem pomocí několika desítek masivních šroubů. Hmotnost elektrárny je 275,7 tun. Představte si, že na sobě stojí 24 žiraf – ale ty by ve skutečnosti vážily jen 24 tun. Zkrátka žirafa není z oceli. Hmotnost jedné Janovské elektrárny by se dala přirovnat ke dvěma plejtvákům obrovským, největším současným živočichům.

Rotor janovské elektrárny musí unést váhu vrtule rovnající se třem africkým slonům

Jednotlivé listy rotoru jsou duté a jsou vyrobené ze skelných vláken, případně s výztuhami z kevlaru. Jsou dlouhé 39 m, s celkovou plochou 50 m2, a každý z nich váží 6,3 tuny, tedy asi jako africký slon. Jsou usazeny do rotoru, který má průměr 80 metrů a váží 35 tun. Celá gondola pak váží 70 tun, čili víc než armádní tank. Vedle betonového podkladu je gondola druhým stabilizačním prvkem elektrárny. Díky své hmotnosti funguje jako těžítko, které tlakem shora na tubus elektrárny zabraňuje jeho rozkmitání.
Dvojlisté nebo třílisté vrtule s průměrem 80 m s výkony kolem 2 MW, kterého dosahují při rychlostech větru kolem 13 m/s, začínají pracovat při rychlosti větru kolem 3 m/s a odstavují se, pokud rychlost větru překročí 25 m/s. Všechny elektrárny s takovými vrtulemi mívají dálkový systém ovládání, automatické řízení a napájení vlastní spotřeby, systém natáčení gondoly a nastavování listů vrtule podle síly větru.

Energie z větru

Na konci roku 2020 byl celkový instalovaný výkon větrných elektráren na světě 743 GW, což je již téměř dvojnásobek instalovaného výkonu jaderných elektráren (393 GW). Pokud jde ale o výrobu elektřiny, jádro vyrábí přes 10 % světové elektřiny, vítr 4 %. Ale například v Evropě už vítr vyrábí 16 % veškeré elektřiny (jádro 25 %).

Větrná energetika dnes patří mezi nejrychleji rostoucí odvětví ve světě ze všech obnovitelných zdrojů.

Jediná moderní větrná elektrárna o jmenovitém výkonu 2 MW ročně vyrobí v průměru 4 430 MWh elektřiny, což představuje roční spotřebu 1 265 domácností, tj. asi 3 200 osob.

Nepravidelnost, nahodilost a nepřesnost předpovědí síly i směru větru způsobují, že větrná elektrárna pracuje zhruba 10 až 20 % roční doby.

V České republice bylo v roce 2023 asi 215 velkých a několik desítek malých domácích větrných elektráren o celkovém výkonu přes 350 MW. Vyrobily dohromady přes 700 GWh elektřiny, což činí kolem 1,6 % vší elektřiny vyrobené v ČR.

Mapa větrných elektráren v ČR v roce 2020

Větrný park

Pro získání více energie se větrné elektrárny sdružují do tzv. větrných parků nebo větrných farem a to na souši, na mořském pobřeží (kde se jim říká on-shore, což v angličtině znamená na břehu), nebo přímo v moři (kde se jim říká off-shore, tedy mimo břeh).

Přímo v Čechách je největší větrnou elektrárnou větrný park Kryštofovy Hamry v Ústeckém kraji (na Chomutovsku). Má celkový instalovaný výkon 42 MW a skládá se z 21 turbín (každá o výkonu 2 MW) umístěných na Krušnohorském hřebeni.

Největší větrná farma na světě je Gansu Wind Farm v poušti na západě Číny s instalovanou kapacitou 20 000 MW.

Obrovské rozlehlé off-shore větrné parky se budují v příbřežních vodách moří, kde stále vane svěží vítr. Jejich stavba a údržba je obtížnější a dražší než u elektráren na pevnině, ale nejsou lidem tolik na očích.

Největší světová off-shore větrná farma je Hornsea 1 na východ od Yorkshirského pobřeží ve Spojeném království. Používá sedmimegawattové turbíny vysoké 190 m a má celkový instalovaný výkon 1,218 MW. Zabírá přibližně 407 km2, což je jako rozloha Vídně.