Jak dál...

V současné době větrné elektrárny naráží na své limity. Ocelové tubusy lze vyrábět jen tak dlouhé, aby se dali dopravit na místo výstavby. To je komplikováno hlavně tím, že ve vnitrozemí jsou vhodná místa pro výstavbu vetrných elektráren většinou špatně přístupné vrcholy pahorkatin či hor. Věže montovaných tubusů či podpěr se hroutí dle použitého spojovacího materiálu. Svařování tubusů zase způsobuje křehnutí oceli v místě sváru a následnou deformaci tubusu. Určitým východiskem je výstavba větrných elektráren z železobetonou věží, ale tím pádem celá elektrárna působí mohutným dojmem a je špatně vnímána veřejností. Stejný osud potkává i mřížovou věž z ocelových trubek, která spotřebuje na výstavbu jen polovinu materiáliu, ale svojí nevzhledností budí odpor ekologů.

List rotoru ¹

Věděli jste, že .....

• ..... špička listu větrné elektrárny víří vzduchem při maximálním počtu otáček s rychlostí větru téměř 300 kilometrů za hodinu? Špička listu rotoru zařízení V 80 tak dosahuje až 286 kmh.
• ..... plocha rotoru zařízení V 80 (průměr 80 metrů) činí více než 5.000 metrů čtverečních a sklízí tak vítr na ploše odpovídající třem čtvrtinám fotbalového hřiště?
• ..... u moderního 2 megawattového zařízení a rychlosti větru 10 m/s (36 km/h) proutí rotorem 50 tun vzduchu za sekundu? Za hodinu se promění energie z 180.000 tun přitékajícího vzduchu na proud 2.000 kWh.
• .... se nejdelší list rotoru na světě otáčí na zařízení Enercon typu E-126/6 MW? S 6 MW je v současné době nejvýkonnější větrnou elektrárnou na světě. Průměr rotoru činí 126 metrů a probíhá plochou o velikosti 2 fotbalových hřišť.

Další zvětšování průměru rotoru je problematické z hlediska pevnosti materiálů, jenž musí být pevné, lehké, odolávat vibracím a rázům. Proto se dnešní listy rotorů vyrábí z kompozitůs využitím uhlíkových vláken.
Nad výkon 1.5 MW mají elektrýrny vždy řízeně natáčivé listy stejně jako tomu je například u vrtulníků. Menší elektrárny využívají samovolného natáčení listů.

Převodovka

K přeměně pohybové energie rotoru na elektrickou energii generátoru jsou nutné otáčky přibližně 1.500 ot./min. Při otáčkách rotoru cca 15-20 ot./min je proto zapotřebí převodovka. Rozděluje hnací hřídel na "pomalý" a "rychlý" hřídel generátoru. Účinnost činí 98 % na převodový stupeň, energetické ztráty se v důsledku tření ozubených kol vyskytují formou předávání tepla a emisí zvuku. Nabízena jsou také zařízení bez převodovky (např. Enercon). Přitom se používá mnohopólový kruhový generátor, který lze v důsledku stejnosměrného meziobvodu provozovat s variabilními otáčkami. Není tak nutný převod otáček a převodovka proto není zapotřebí. Pro snižování hlučnosti celé elektrárny a zvýšení účinnosti se tedy bezpřevodové ústrojí jeví jako nejvýhodnější.

Generátor

Generátor přeměňuje mechanický otáčivý pohyb hnacího ústrojí na elektrickou energii. Podle zatěžovacího rozsahu mohou tyto generátory na střídavý proud dosáhnout účinnost od 90 do 98 %. Existují dva nejpoužívanější typy generátorů:
Asynchronní generátor: umožňuje jednoduchou synchronizaci s elektrickou sítí. Téměř nepotřebuje regulační techniku k synchronizaci a má menší účinnost než synchronní generátor.
Synchronní generátor: potřebuje nákladnou regulační techniku a může se k síti připojit přímo nebo přes střídač. Jeho účinnost je vyšší než u asynchronních typů generátorů. Zde se volí mezi jednoduchostí asynchronního generátoru a vyšší učiností dražššího synchronního generátoru. Mnohapolový gennerátor u elektrárny bez převodovky generuje stejnosměrný proud a potřebují tedy vykonné střídače, což prodražuje zařízení a zvyšuje náchylnost k poruchám.

---

Náznaky řešení

Létající větrné elektrárny dokáží překonat problém s výstavbou věžě a dosíhnmout tak mnohem větší výšky, kde je proudění vzduchu mnohem rychlejší.

Nové vznášející se větrné elektrárny by mohly sbírat energii tři sta metrů nad zemí a významně tak omezit hlučnost a zvýšit efektivitu.

Rozlehlé farmy nevzhledných větrníků by se v brzké době mohly stát minulostí. Nahradit by je měly speciální vznášející se generátory podobné vzducholodím, které sice o moc víc krásy nepobraly, ale alespoň visí tři sta metrů nad zemí a neuslyšíte nepříjemný zvuk rotujících vrtulí.

Moderní vzducholoď jako větrná elektrárna ²

Balonová elektrárna se zrodila v hlavách vědců z americké energetické společnosti Altaeros Energies, která spolupracuje s Massachusettským technologickým institutem. V současné době se podařilo úspěšně otestovat automatizovaný prototyp vzdušné větrné turbíny ve výšce sto metrů. Finální komerční verze by se pak měla vznášet ve výšce tří set metrů, kde je poryv větru silnější a stálejší. Heliem naplněný plášť konstruovaný do tvaru roury ukrývá uvnitř vrtuli a běžně prodávanou turbínu pro přeměnu větrné energie na elektrickou. Umístění v mnohonásobně vyšší nadmořské výšce umožní stejnému generátoru vyrobit téměř dvojnásobek energie, než je tomu u konvenčních větrníků postavených na železných věžích.

Hlavní výhoda - nízké náklady

Vítr v třistametrové výšce dosahuje až pětinásobné síly, a proto větrná elektrárna umístěná v takové výšce dokáže podle propočtů ušetřit až 65 procent nákladů na výrobu elektrické energie. Navíc snižuje čas potřebný k instalaci takového zařízení z několika týdnů na několik dnů. Krom toho je balón navržen tak, aby neměl téměř žádný dopad na okolní prostředí a vyžadoval jen minimální údržbu.

---

Další létající elektrárny ³

Kanadská společnost Magenn Power Systems představila koncept MARS, který je založen na rotujícím, heliem naplněném balónu. Ten se vznáší mezi 200 a 300 metry nad zemí, tedy v prostředí, kde rychlost větru zůstává celkem stálá. Balon rotuje kolem horizontální osy. Výkon takovéto větrné turbíny je díky vyšší rychlosti proudění vzduchu až osmkrát větší. Tzv. Magnusův jev při rotaci balonu zvyšuje jeho stabilitu a přináší mu dodatečný vznos. Balon je z materiálu používaného na lodní plachty, s nehořlavou úpravou, odolný proti UV záření a s ochranou proti bleskům. Elektrický proud se přenáší na zem kabelem. Může se použít přímo na místě, napájet baterie, nebo po transformaci vpustit do energetické sítě. Balon umožní nastavit turbínu do optimálního vzdušného proudu kdykoliv v průběhu dne. Je přemístitelný podle potřeby, dá se snadno vypustit, zrušit a na jiném místě obnovit. Pracuje při rychlostech větru od 2,5 m/h do 60 m/h. Tlak plynu v balonu, rychlost větru, rychlost rotace a parametry generátoru se průběžně měří a vyhodnocují. Neohrožuje ptáky ani netopýry a má podstatně nižší hlučnost než pozemní větrné elektrárny. Náklady na výrobu elektřiny systémem MARS jsou pod 0,5 US centů/kWh. Jeho použití může být výhodné v izolovaných lokalitách bez elektrické sítě, v malých sítích a ostrovních režimech, v opuštěných oblastech, na farmách, těžních plošinách, jako záložní zdroj pro případ přírodních neštěstí, která zničí infrastrukturu, v armádních aplikacích apod.


Hlavní výhody systému MARS:

• Vyrobená elektřina je levnější než z klasických větrných instalací.


• Účinnost systému je od 25 % do 60 %.


• Stálejší výroba elektřiny.


• Zdroj může být umístěn co nejblíže místu spotřeby, snižují se tedy náklady na přenos a přenosové ztráty.


• Při výstavbě není potřeba jeřábů ani složitých stavebních konstrukcí.


• Zdroj je mobilní.

Společnost plánuje vyrobit několik prototypů balónu MARS. V současnosti je v testovacím provozu model o výkonu 25 kW. Se sériovou výrobou některých větrných turbín o výkonu 100 kW firma počítá v roce 2012, ve stejném roce by měly být balóny určeny ke komerčnímu využití. Náklady na pořízení systému MARS ještě nejsou pevně stanovené, ale firma je odhaduje na 4,5 až 7 USD na 1 instalovaný watt. Vývojáři kanadské společnosti věří, že systém MARS bude schopen produkovat dostatek levné elektřiny a přitom si zachovávat co nejdelší životnost (odhad je 15 let).

---

„KitePower“ ⁴

Základní princip tohoto vynálezu je takzvaný „KitePower“. Kite je z angličtiny drak. Teorie je to celkem nepředstavitelná. Vědci prostě nechají draka stoupat vzhůru. Přitom slibují, že bezpečně získají přeměněnou energii, které bude dokonce mnohem větší množství než u klasických větrníků a celých větrných parků. Vynálezce navíc tvrdí, že létající přístroj pracuje efektivněji a tišeji oproti pozemním turbínám.V Nizozemsku již momentálně zkoušejí jeden prototyp, který má ukázat, zda vůbec může takováto elektrárna v oblacích fungovat. Zatím se ukázalo, že teorie funguje. Přístroj byl vypuštěn na laně do vzduchu. Během stoupání vzhůru opisuje drak v prostoru jakoby ležící osmičku. Možná jste si toho někdy všimli při pouštění draka.

Cross-wind-manévr

Tzv. cross-wind-manévr využívá jakoby surfování draka ve vzduchu. To přináší velkou tažnou sílu. Kabel se při vzestupu draka vždycky zkrátí a vrátí ho zpět do původní výšky. Otáčivé pohyby po ose ležaté osmičky pohánějí generátor. Ten produkuje takto elektrický proud, který je dočasně ukládán do elektrické baterie.

Výška, ve které má drak létat závisí vždy na místních větrech. Na testovacích územích v Nizozemsku poblíž amsterodamského letiště bylo možné vypustit draka jen do výšky 300 metrů, ale v provincii na severu Nizozemska Frísko bylo možné vypustit draka až do pětisetmetrové výšky. (zdroj: 1) Vyšší výšky jsou co se týká zisku energie zajímavější, protože zde foukají stálejší větry, které nejsou brzděny vrcholky horských hřebenů a domy. Oproti tomu větrníky jsou umístěny ve výšce jen maximálně kolem 200 metrů a proto získávají jen zlomek možné energie. (zdroj: 1) Dokonce i stavba a údržba nových větrných elektráren je snazší a levnější.

Levnější energie

První studie ukázala, že každá kilowatthodina stojí pomocí draka od jednoho do čtyř centů. Přičemž dosavadní větrné elektrárny mají průměrnou cenu 6,4 centu, při lepších podmínkách se pohybují těsně nad hranicí 4,5 centu za kilowatthodinu. (zdroj: 1) Zřízení první pozemní stanice prototypu létající elektrárny v Nizozemsku vyšlo na 60 000 euro. Bude-li se tato technologie sériově zavádět, mohla by tato cena klesnou o tisíce. Nezbytné součásti tohoto zařízení jako drak a kabel vyjdou na nějakých 1 200 euro. (zdroj: 1) Ale je potřeba si uvědomit, že to jsou jen jednorázové položky.

Další výhody

Další výhodou tohoto létajícího zařízení je flexibilita. Výška draka se může přizpůsobovat aktuálním povětrnostním podmínkám. Navíc draci neškodí životnímu prostředí, a to ani hlukem ani znečišťováním. Je možné je postavit i v místech, kde není jinak dostatek prostoru.

Při bouřce automaticky zpět k zemi

Draci jsou spojeni s měřící stanicí na zemi, tedy vlastně s počítačem, který měří jejich výšku, zeměpisné souřadnice a rychlost pohybu. Podle těchto souřadnic určuje počítač drakovi ideální výšku a dráhu letu. Při špatném počasí jako je bouřka nebo silná vichřice se vrací drak zpět k zemi.

---

Větrné trychtíře ⁵

Větrné turbíny na výrobu elektrické energie by mohl vystřídat nový systém vzdušných trychtýřů, který vyrobí šestkrát více energie než obří větrníky. Cenou za 1 kWh může podle projektantů konkurovat navíc i vodním elektrárnám a zemnímu plynu.

Prototyp společnosti SheerWind již prodělal první terénní testy, které potvrdily jeho jednoznačné výhody. Porovnával se výkon větrníku a trychtýře ve stejné oblasti, přičemž oba systémy byly osazeny stejnou turbínou na výrobu elektrické energie.

Nový trychtýřový systém při testech vyprodukoval šestkrát více energie než klasický větrník, protože mimo jiné využívá i slabší větrné proudění - od 3,2 km/h. Cena jedné MWh tak klesá údajně na 10 dolarů, což konkuruje zemnímu plynu a vodním elektrárnám. Podílejí se na tom mimo jiné i mnohem nižší náklady na instalaci.

Podstata systému Invelox je totiž jednoduchá: místo roztáčení lopatek SheerWind zachytává proudění nadzemním portálem, to následně zrychluje ve zužujícím se potrubí, které jej přivádí k turbíně, a ta proudění větru přeměňuje na elektřinu.

Náklady nižší, efektivita vyšší

Sheerwind’s INVELOX Technology

<2¢ per kWh 43% Less CAPX <5 yr Payback

<2 mph Wind Speeds 90% Less Land Use 50% Less O & M

Podle autorů projektu by tento systém nevyžadoval žádné vládní dotace, které u solární a větrné energie pokřivily trh. Provozní náklady větrných turbín snižuje o polovinu, a navíc představuje i menší zátěž pro okolní prostředí, včetně ptáků, které rotující lopatky masakrovaly.

Věže by při vyšším výkonu zabraly i o 90 procent méně prostoru. Skutečnost, že u věží nejsou žádné pohyblivé části, zvyšuje také jejich životnost a zjednodušuje údržbu. Zařízení je navíc podle všeho odolnější ke změnám teploty a námrazám.

Další nemalou výhodou je i nižší hlučnost. A spokojenější by mělo být i letectvo, protože trychtýřový systém může být nižší a navíc nenarušuje jako současné větrné farmy radarové systémy.

Nevýhodou je zvýšení rychlosti větru v přízemní vrtsvě a velkou nevýhodu tvoří případný protivítr na zúženém konci trubice. Stačí si totiž představit situaci, kdy se směr větru se otočí a pak zařízení začne fungovat jako Pitotova a Prandtlova trubice. Pokud se bude měnit směr větru, k maximálnímu využití funkce nálevky s tubusem nepřispěje ani nějaké ohýbání „husích krků“ za turbínou aby do ní nefoukalo z druhé strany a nesnižovalo to výkon. Šlo by to sice řešit pohyblivou plošinou, ale ať už by jezdila věž okolo turbíny, nebo naopak, připomínalo by to pak spíš nádraží s kolejištěm, než cokoliv jiného. Ani s vychvalovanou šetrností k životnímu prostředí to nemusí být tak slavné. V prostoru za turbínou, kde to bude foukat, se bude víc prášit. Nebeskému ptactvu, který se dostane do nálevky a vcucne ho to do tubusu, také nebude do zpěvu a lopatky opeřencům nebudou jen čechrat peří, stejně jako náběžné hrany lopatek klasických větrníků. Havní problém ale budou vícenáklady spojené s většími variantami testovaného prototypu. Vyšší účinnost za mírného vánku, kdy má toto zařízení ještě fungovat, a klasické vrtule už ne, by energetický zisk prakticky nevylepšilo.

---

Zdroje:
1: http://www.vetrna-energie.cz
2: http://www.altaerosenergies.com
3:http://www.magenn.com
4: http://www.kitepower.eu
5: http://sheerwind.com