Větrné elektrárny obecně
Základní dělení větrných elektráren je podle principu využití kinetické (pohybové) energie větru. Z uvedeného hlediska mohou větrné elektrárny využívat odporový nebo vztlakový princip.
- Odporový princip, založený na aerodynamickém odporu plochy nastavené proti větru, je charakteristický pro starší elektrárny malých výkonů. Do kategorie odporových větrných strojů s maximální účinností kolem 15 až 20 % patří prakticky všechny větrné mlýny, větrná mnohalistá čerpadla a Savoniova větrná turbína s vertikální osou otáčení. K výrobě elektřiny se používají spíše výjimečně, i když je potřeba pouze jednoduchá instalace a relativně malý výkon.
- Větší a modernější turbíny vrtulového typu pracují na vztlakovém principu. Listy rotoru mají tvar aerodynamického křídla a jsou obtékány proudícím vzduchem. Při správném nastavení listu vzniká na jedné jeho straně podtlak a na druhé přetlak v důsledku různých rychlostí proudění vzduchu. Působením těchto tlaků vzniká vztlaková síla orientovaná kolmo vůči směru proudění vzduchu a otáčející celou vrtulí větrného motoru. Účinnost vztlakových větrných turbín (využití kinetické energie vzduchu proudícího skrze turbínu) je kolem 40 až 50 %.
Vznik vztlaku na obtékaném listu rotoru
Větší a modernější turbíny vrtulového typu pracují na vztlakovém principu. Listy rotoru mají tvar aerodynamického křídla a jsou obtékány proudícím vzduchem. Při správném nastavení listu vzniká na jedné jeho straně podtlak a na druhé přetlak v důsledku různých rychlostí proudění vzduchu. Působením těchto tlaků vzniká vztlaková síla orientovaná kolmo vůči směru proudění vzduchu a otáčející celou vrtulí větrného motoru. Účinnost vztlakových větrných turbín (využití kinetické energie vzduchu proudícího skrze turbínu) je kolem 40 až 50 %.
Horizontální a vertikální osa
Výběr lokality pro stavbu větrné elektrárny
Při výběru lokality pro stavbu větrného parku je třeba počítat i s řadou dalších parametrů. Pevnost podloží určuje typ bezpečného ukotvení stožárů. Dopravní dostupnost je důležitá nejen pro samotnou stavbu větrných elektráren pomocí těžkých jeřábů, no i pro jejich údržbu až do konce životnosti. Musí se brát ohled i na dostupnost a kapacitu energetické přenosové soustavy, aby náklady na připojení elektráren byly co nejnižší. Určitá omezení může přinášet taky profil terénu v lokalitě výstavby, přítomnost obydlí, nebo lokální omezení např. vzdálenosti nebo výšky staveb.
V neposlední řadě se musí při výběru lokality brát v úvahu vliv výstavby a provozu větrné elektrárny na životní prostředí. Větrná farma dosahující výkon 1 000 MW se rozprostírá na ploše přes 100 km2, jaderná nebo uhelná elektrárna o stejném výkonu zabírá plochu jen několik km2.
Vliv větrné elektrárny na životní prostředí
Větrná elektrárna vyrábí čistou elektrickou energii bez tuhých nebo plynných emisí, odpadů a odpadního tepla. Na druhou stranu má i své nevýhody a negativní vlivy. Mezi hlavní nevýhody patří nestálost proudění větru a relativně malá koncentrace energie – pro získání větších výkonů je nutné stavět rozlehlé větrné parky.
Vliv větrných elektráren na obyvatelstvo se projevuje hlavně ve zvýšené hladině hluku a stroboskopickém jevu. Hluk způsobuje především strojovna elektrárny a obtékání vzduchu kolem listů vrtule. Moderní odhlučněné konstrukce spolu s ovládacími programy elektráren snižují hladinu hluku na bezpečnou úroveň nepřekračující povolené normy.
Stroboskopický jev se projevuje v důsledku otáčení vrtule za slunečního počasí, kdy je slunce nízko nad obzorem. V blízkých obydlených oblastech přitom vzniká nepříjemný efekt pohyblivých stínů. V tomto případě je nutné na nezbytnou dobu elektrárnu odstavit.
Vliv větrných elektráren na ptáky je různý. Některé druhy se jim vyhýbají, jiné je berou jako součást prostředí, ve kterém žijí. Základní podmínkou je, aby elektrárny nebyly stavěny v místech s větší koncentrací ptactva, nebo v jejich letových koridorech. Výzkumy ekologů ve větrných parcích taky prokázaly, že elektrárny nemají žádný vliv na rušení zvěře.
Fyzikální principy
Koeficient rychloběžnosti λ (lambda) je poměr obvodové rychlosti konce listu vrtule k rychlosti větru. Z hlediska rychloběžnosti se větrné turbíny dělí na pomaloběžné (λ < 6) a na rychloběžné (λ ≧ 6). Platí pravidlo, že čím je počet listů rotoru větší, tím nižší je koeficient rychloběžnosti, a rotor se otáčí pomaleji s větším točivým momentem.
Z energetického hlediska je možné využít kinetickou energii proudícího vzduchu k pohonu rotoru větrného stroje. Nejdůležitějším parametrem ovlivňující využití energie větru je jeho rychlost. Energie pohybující se hmoty vzduchu je přímo úměrná ploše, kterou vzduch protéká a druhé mocnině jeho rychlosti. Výkon protékající jednotkovou plochou je přímo úměrný hustotě vzduchu a třetí mocnině jeho rychlosti. Z uvedeného je zřejmé, že když se rychlost větru zvětší na dvojnásobek, vzroste výroba elektrické energie až osminásobně. Proto je velmi důležité, aby se stavěli větrné elektrárny na místech s relativně vysokou střední rychlostí větru.
Lopatkám větrné turbíny odevzdává vítr jen část své energie. Teoreticky maximálně dosažitelnou účinnost větrné turbíny definoval ve své teorii v roce 1920 vědec Albert Betz na 59,26 %. Tohoto optimálního výkonu je dosaženo, když se rychlost vzduchu při průchodu turbínou sníží přibližně o třetinu. Reální účinnost větrné elektrárny je samozřejmě nižší a je ovlivněna konstrukčním řešením stroje, ztrátami na tření, nastavením úhlu lopatek a dalšími faktory.
Kromě hodnoty maximální účinnosti větrné turbíny je důležitý i koeficient ročního využití, udávající poměr odvedeného a teoreticky možného výkonu za rok. Obvykle se pohybuje kolem 20 %.
Výkon větrného motoru je možné spočítat podle následujícího vzorce:
Součinitel rychloběžnosti moderních turbín s horizontální osou dosahuje přibližně 6. To znamená, že při rychlosti větru 50 km/h je obvodová rychlost konců listů rotoru kolem 300 km/h. Při délce listu kolem 40 metrů vykoná rotor uvažované větrné turbíny přibližně 20 obrátek za minutu. To je ale hodně málo na to, aby byl hřídelí přímo poháněn elektrický generátor (ten potřebuje řádově víc než tisíc obrátek). Nevyhnutnou se v tomto případě stává převodovka, která zvyšuje obrátky na úkor točivého momentu. Existuje i varianta větrných elektráren bez převodovky, kde je speciální více pólový elektrický generátor spojen přímo s hlavní hřídelí turbíny.