Větrná elektrárna
Jak funguje
Vítr se opře do tvarovaných lopatek, roztočí je, ty roztočí elektrický generátor a v něm vznikne elektrický proud. Jak prosté. Fyzikálně správně bychom řekli: ve větrné elektrárně se převádí pohybová energie vzdušného proudu na energii rotace a tato mechanická energie otáčí rotorem elektrického generátoru.
Schéma nejpoužívanější větrné elektrárny
Přeměny energie ve větrné elektrárně
Když vzdušnému proudu postavíte do cesty překážku v podobě větrné vrtule, proud se zpomalí. Podle sil, jaké na listy rotoru působí při různých rychlostech větru, se dá vypočítat, že nejvyššího výkonu větrného kola se dosáhne při zpomalení větrného proudu na jednu třetinu. A z toho se dá podle příslušných vzorečků spočítat, že maximální teoreticky dosažitelná účinnost větrné turbíny je 59 %. Je to ale spíše nedosažitelný ideál – nejlepší v praxi dosahovaná účinnost je 45 %.
Vztlakový princip otáčení lopatek větrného stroje
Výsledná účinnost větrné elektrárny závisí na rychlosti otáčení rotoru, čili součiniteli rychloběžnosti, což je poměr rychlosti, jakou se otáčejí konce lopatek a rychlosti větru. Součinitel rychloběžnosti se zvyšuje snížením počtu lopatek, takže nejúčinnějším by měl být rotor jen s jedinou lopatkou. Současné větrné turbíny mívají nejčastěji 3 lopatky, ale mohu se použít i dvě, nebo jedna lopatka s protizávažím.
Noha, na které rotor stojí, se nazývá tubus. Tubus elektrárny musí být dostatečně silný, aby unesl tíhu větrné turbíny a dostatečně vysoký, aby lopatky rotoru zabíraly nad přízemním pásmem, kde se vyskytují větrné turbulence (možná jste zažili turbulence v letadle, není to nic příjemného), které by mohly soustrojí rozkmitat.
Do většiny tubusů větrných elektráren se dá vstoupit a vnitřkem vylézt nebo se vyvézt výtahem nahoru do gondoly. Nad tubusem je skříň veliká jako autobus, která se nazývá gondola. Gondola obsahuje převodovou skříň. Převodovku znáte možná z auta. Rychlost otáček vrtule 5–50 ot/min. není dostatečná pro výrobu elektrického proudu, musí se proto pro pohon elektrického generátoru zpřevodovat na více než 1 500 ot/min. Gondola také obsahuje generátor, ložiska, systém natáčení gondoly a systém natáčení lopatek apod. Mezi gondolou a tubusem je tlumení, které zabraňuje přenosu vibrací. Elektrický výkon z generátoru se vyvede kabelem skrz tubus k jeho patě, pak pokračuje pod zemí do rozvodny.
V patě tubusu i v gondole je umístěn řídicí systém elektrárny. Pokud se elektrárna porouchá, stejné systémy na dvou místech dávají servisnímu středisku možnost zasáhnout z obou pozic.
Jak zkrotit vítr
Se vzrůstající rychlostí větru rostou vztlakové síly na lopatkách rotoru, a ještě více roste energie vyprodukovaná generátorem. To ale nejde donekonečna, při určité rychlosti větru je potřeba stroj zastavit, aby se nepoškodil. Proto je velmi důležitá účinná a rychle pracující regulace výkonu rotoru, aby se zabránilo mechanickému a elektrickému přetížení. Musí to zařídit automat, lidská obsluha na větrné elektrárně není.
Pro výrobu elektřiny je využitelný vítr o rychlosti 4 až 26 m/s (tj. 15 až 95 km/h), záleží na daném projektu. Při větším větru než 26 m/s se musí elektrárna zastavit, protože konstrukce by se nebezpečně rozkmitala. Rotor se zabrzdí a lopatky se postaví vůči větru nejužším profilem.
U vrtule s rozpětím kolem 100 m také činí problémy rozdíl v rychlosti větru dole a nahoře, který může činit i víc než 2 m/s. Na každý list vrtule pak působí jiné síly a hrozí rozkmitání a destrukce konstrukce. Možnost, jak tuto nevýhodu obejít, představuje jednolistá vrtule s protizávažím – o té už jsme se zmiňovali.
Problémy s námrazou
Jak postavit větrnou elektrárnu
Nejprve je potřeba vybrat lokalitu – to znamená měřit nejméně rok (lepší je vydržet to i několik let) sílu a rychlost větru. Nejlépe je měřit ve výšce budoucí osy rotoru. Bez průkazu, že na místě bude vanout správný vítr, by bylo bláznovství začít stavět. Roční průměrná rychlost větru by měla být minimálně 5,2 m/s.
Naše země je členitá horami a údolími, což snižuje rychlost větru, a proudění je nestálé. Vhodné lokality s rychlostí větru vyšší než 5 m/s jsou zpravidla v příhraničních horských oblastech, obvykle nad 600 m n. m. Často se bohužel překrývají s územím národních parků nebo chráněných krajinných oblastí, což případnou výstavbu větrných parků ztěžuje. Až na výjimky leží energeticky příhodné lokality pro stavbu větrné elektrárny v českých pohraničních horách a na Českomoravské vrchovině. Nejvyšší střední rychlosti větru až 8,5 m/s jsou u nás zaznamenávány na Milešovce, Pradědu a planinách Krušných hor.
Důležitá je přístupnost pozemku pro velké jeřáby a těžké mechanismy. Větrnou elektrárnu lze na připravených základech smontovat za dva až tři dny. Tahače najíždějí s díly elektrárny na přesně definované pozice pod jeřáby. Hlavní pevně zakotvený montážní jeřáb s nosností minimálně 500 tun musí vyzvednout jednotlivé díly o hmotnosti několika desítek tun až do výšky přes 100 metrů.
Hloubka základů pro jednu větrnou elektrárnu je 2,5 m na ploše 20 m2 (čili zhruba 5 × 4 m). Základy tvoří masa železobetonu, která je protiváhou gondole. Gondola se při velkém větru dokáže vychylovat až o 1 metr.
Následuje propojení elektroinstalace, hydrauliky ovládající natáčení listů a připojení měřicích a regulačních aparatur, oživení celého stroje a jeho připojení k síti. A pak už záleží jen na větru. Životnost větrných elektráren je minimálně 20–30 let. Větrnou elektrárnu lze přitom demontovat a odstranit stejně rychle, jako trvá její postavení.
Při demontáži a odstraňování vysloužilých větrných elektráren je kladen velký důraz na recyklaci všech materiálů, ze kterých je elektrárna postavena. Největší zastoupení mají ocel a beton, ale s jejich druhotným využitím opravdu nevznikají žádné problémy. Větší výzvou je dnes ekologická likvidace kompozitních listů rotoru. I když je už poměrně zvládnuta jejich recyklace mechanickým drcením, pravděpodobně nejvýhodnějším řešením by bylo druhotné využití částí lopatek pro nový účel. A první vlaštovky se již objevují, třeba využití lopatek jako konstrukčních prvků lávek a mostů nebo objekty městského mobiliáře a dětských hřišť.
