Alternativní energie trochu jinak
Téma je to žhavé a ne vždy chápané v širších souvislostech, jak by si zasloužilo. Zkusme se postupně, v několika zamyšleních, podívat na současné možnosti v nejčastějších formách alternativní energie.
Větrná energie
Naše vnitropevninská zeměpisná poloha a s ní související vzdušné proudy nesnese srovnání např. s vybranými přímořskými regiony. Počáteční optimistická očekávání byla konfrontována s realitou a získané zkušenosti s velkými větrnými elektrárnami (nejen u nás) opravňují k vyslovení požadavku, aby další směrování pozornosti bylo silně zaměřeno na malé, decentralizované zdroje, jejichž energie se bude spotřebovávat místně. Tento obecný trend dává o sobě ve světě důrazně vědět, přičemž se tu otevírá široký prostor pro šikovné konstruktéry, ale i realisticky uvažující investory. Stručně se teď podívejme na srovnání.
Stávající konstrukce standardní komerční větrné elektrárny se vyznačuje horizontální osou otáčení vrtule, výkonem 1 - 2 MW a vysokým stožárem (až 100 m), na němž je zařízení ustaveno. Výška stožáru je dána potřebou dostat se do lepšího, laminárního proudění větru, přičemž z hlediska stavby se jednoznačně vyžaduje stavební povolení se všemi náležitostmi tohoto specifického objektu.
Aby nedošlo k odtržení proudnice u listu rotoru, musí být obvodová rychlost vrtule limitována, což zákonitě vede k pomalým otáčkám rotoru (8 až 16 ot./min.). To je ovšem v disproporci s požadavkem na otáčky elektrického generátoru, který pro síťový kmitočet 50 Hz vyžaduje buď 1 500 nebo 3 000 ot./min. (podle toho, zda je dvou, nebo čtyřpólý). Problém je řešen interní mechanickou převodovkou za cenu zvýšené složitosti, hmotnosti a ceny.
Do správného směru vůči větru musí být u těchto kolosů rotor natáčen vlastním motorem, tedy další náklady, zvýšení hmotnosti i složitosti.
Klíčovým (a problémovým) faktorem je však hlavně rychlost větru. Výkon větrné elektrárny závisí na jeho rychlosti ne lineárně, ale s třetí mocninou a pro tyto velké stroje se předpokládá
min. rychlost cca 4,5 m/sec., přičemž jmenovitého výkonu se dosahuje až při rychlostech kolem 12 m/sec. A tady je podstata problému. Lokalit v Česku či Slovensku, kde se vyskytuje taková rychlost proudění větru po významnou část roku zas tolik není. Problémy ale nejsou jen při malých rychlostech větru, podobně nežádoucí je i příliš vysoká rychlost, která vede k poškození zařízení. Technická opatření, chránící větrnou elektrárnu před poškozením silným větrem (vypínací rychlost je obvykle 25 m/sec.) opět zvyšují její složitost a cenu a paradoxně odstavují elektrárnu z činnosti v době, kdy by mohla vyrobit nejvíce elektrické energie. A konečně specifickým, ale rozhodně nikoli zanedbatelným problémem, je distribuce vyrobené elektrické energie z farem větrných elektráren přes stávající rozvodnou síť. Obecný problém větrné energie, tj. její nahodilost a nevypočitatelnost teď nechme stranou, je stejná pro velké i malé větrné elektrárny. I když ne tak úplně, u těch malých, které začínají pracovat již od 2,5 m/sec. Je tedy u nich podstatně vyšší předpoklad energetické výtěžnosti (ročním využitím).
Vertikální větrné elektrárny
Naproti tomu moderní malé větrné elektrárny mají osu otáčení vertikální. Tím zcela odpadá nutnost otáčení rotoru do optimálního směru. V našich podmínkách velkou výhodou je funkčnost již od 2,5m/sec. a díky použití moderního elektrického generátoru synchronního typu s permanentními magnety není třeba generátor vypínat ani při silném větru nad 25m/sec.
Tajemství je ukryto v několika vinutích generátoru, které se elektronicky a bezkontaktně přepínají podle aktuální rychlosti větru a tím přizpůsobují výstupní napětí generátoru povoleným mezím pro následující (silovou) elektroniku. Ta už jen dotváří parametry obvyklé pro elektrickou síť: buď 230 V / 50 Hz nebo 3 x 400 V / 50 Hz. Ovšem ochrana proti nepřípustně vysokým otáčkám ve vichřici je zde také. Umožňuje podle potřeby přibržďování na principu vířivých proudů, nebo magnetické kapaliny.
Obr. Vertikální rotor větrné turbíny
Původní inspirací pro vertikální větrné elektrárny byl Savoniův rotor (pracující na odporovém principu). Ve třílistém provedení splňuje podmínky pro jednoduchou konstrukci a láci. Horší to je s jeho účinností a dosažitelným výkonem. Proto se přešlo na modifikace Dariova rotoru, který pracuje na vztlakovém principu. Dnešní větrné turbíny s vertikální osou jsou vztlakové rychloběžné stroje s přímým propojením osy na elektrický generátor. Výkonová elektronika generátoru řízená mikroprocesorem se už postará o to, aby výstupní napětí a kmitočet byly vždy odpovídající normě, bez ohledu na otáčky rotoru. Pochopitelně s výkonovou degresí, odpovídající generovanému výkonu s ohledem na okamžitou rychlost větru. Výše uvedená vlastnost umožňuje připojit elektrárnu i do veřejné rozvodné sítě.
Pro představu - zobrazený rotor větrné turbíny o výšce lopatek 5 m a průměru 3 m dokáže vyrobit s generátorem 5 kW za rok cca 10 MWh při průměrné rychlosti větru 5,8 m/sec.
Zatímco převažujícím smyslem výstavby velkých větrných elektráren je byznys, malé větrné elektrárny jsou stavěny především pro místní výrobu a spotřebu elektřiny. Je třeba zdůraznit „doplňující" místní výrobu, protože větru poručit nelze. I tak jde - pro určitou skupinu lidí - o velmi zajímavou možnost. Vertikální větrnou turbinu o průměru rotoru 4 m lze nainstalovat i na střechu domu, nebo na zahradu na jednoduchou konstrukci se světlou výškou 3 m, pokud jsou v místě vhodné povětrnostní podmínky. Výkon generátoru 5 kW již postačí k zásobování celé domácnosti. Pravda, s jistou šetrností a dalšími náležitostmi a to bez závislosti na monopolním dodavateli el. proudu.
Text: Jiří Kozák
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax