Větrná turbína (větrná elektrárna), známá také jako větrný generátor, je mechanické zařízení, které přeměňuje kinetickou energii generovanou větrem na elektrickou energii.

Dlouholeté zkušenosti s provozem a testováním větrných turbín vyústily v aerodynamicky navržený design, který kombinuje výkon, hospodárnost a škálovatelnost.

Lopatky větrných turbín hrají důležitou roli a jejich tvar, úhel, hmotnost a použité materiály mohou mít velký vliv na účinnost turbíny při výrobě elektřiny.

Lopatky větrné turbíny musí mít aerodynamický profil, aby vytvářely vztlak a generovaly maximální točivý moment pro otáčení turbíny a hnacích generátorů. Tvar listu větrné turbíny je tedy životně důležitý pro základní fungování stroje.

1. Jak ovlivňuje délka lopatky větrnou elektrárnu?

Větrná turbína s delšími lopatkami bude schopna zachytit více dostupného větru než kratší lopatky, a to i v oblastech s relativně slabým větrem. Schopnost sbírat více větru při nižších rychlostech větru by mohla zvýšit počet oblastí dostupných pro větrnou energii.

2. Jak dlouhé jsou lopatky větrné turbíny?

Dnes jsou nejběžnější průmyslové větrné turbíny vysoké asi 70 metrů. Jejich výkon závisí na velikosti a výšce, ale obvykle se pohybuje od jednoho do pěti megawattů

Lopatky těchto větrných turbín jsou v průměru dlouhé asi 50 metrů, což jim umožňuje pokrýt větší plochu, zachytit více větru a vyrobit více elektřiny.

Nejdelší lopatky větrných turbín na světě do letošního roku vyráběla společnost LM Wind Power – 107 metrů. Rekordmanem tohoto parametru jsou v tuto chvíli větrné turbíny Siemens Gamesa Renewable Energy o výkonu 14 MW, které využívají 108metrové lopatky.

V současné době se vyvíjejí delší čepele. Dánský výrobce větrných turbín Vestas tedy plánuje letos otestovat 115,5 metru dlouhý list rotoru pro nový prototyp větrné turbíny V236-15,0 MW ve Fraunhoferově institutu pro systémy větrné energie IWES v Bremerhavenu v Německu. Očekává se, že tyto větrné turbíny budou postaveny a uvedeny do komerčního provozu v roce 2024.

3. Jaký je nejlepší tvar lopatky větrného mlýna?

Čím rychleji fouká vítr, tím větší vztlak se vytváří na čepeli, proto je rotace rychlejší. Výhody zakřiveného listu rotoru oproti plochému listu jsou v tom, že zdvih umožňuje, aby se špičky lopatek větrné turbíny pohybovaly rychleji, než se pohybuje vítr, čímž vzniká větší výkon a vyšší účinnost.

ČTĚTE VÍCE
Jak zakrýt půdu pod terasou?

Mírně zakřivené lopatky turbíny mohou zachytit o 5-10 % více větrné energie. Zakřivené lopatky také fungují efektivněji v oblastech s nižší rychlostí větru.

Optimální tvar lopatky větrné turbíny je zakřivená lopatka, protože tento tvar umožňuje vyšší rychlosti otáčení, což je ideální pro výrobu energie.

Zakřivený tvar lopatky generuje vztlak díky nízkému tlaku vzduchu generovanému na straně s největším zakřivením a vysokotlakým silám vzduchu na druhé straně profilu lopatky. Tyto dvě síly vytvářejí vztlakovou sílu kolmou na proudění vzduchu přes lopatky turbíny.

Dobře navržená lopatka rotoru turbíny vytvoří přesné množství zdvihu a tahu, které poskytuje optimální vzduchovou retardaci pro zlepšení účinnosti lopatky.

4. Měly by být lopatky větrné turbíny těžké nebo lehké?

Lopatky větrných turbín musí být lehké, protože jsou účinnější, když jsou lehčí. To usnadňuje montáž a demontáž větrných turbín a také usnadňuje jejich otáčení, čímž se zvyšuje jejich výkon. Zatímco lehké systémy s vysokou pevností materiálu jsou ideální, snížení hmotnosti může vést ke zvýšenému riziku selhání konstrukce.

Velké větrné turbíny s těžkými lopatkami mohou také negativně ovlivnit místní volně žijící zvířata, zejména hejna stěhovavých ptáků, kteří se zachytí lopatkami a zemřou.

Stejně jako u většiny mechanických systémů je běžné vyvažování pevnosti a hmotnosti pro celkový výkon.

5. Jaký je nejlepší úhel pro lopatky větrných turbín?

Pro každou rychlost větru existuje optimální úhel lopatky, při kterém je výkon generovaný větrným generátorem maximální. Tento optimální úhel závisí na rychlosti větru. Například úhel náklonu 5° je optimální pro větrný generátor při provozní rychlosti 7 m/s pro optimální výrobu energie, 20° při 15,1 m/s a 30° při 25,1 m/s. Provoz větrného generátoru pod jinými úhly vede ke snížení výkonu.

Tah se zvyšuje s rostoucí rychlostí přicházejícího proudu vzduchu v důsledku většího přenosu hybnosti. Tah se snižuje se zvyšujícím se úhlem lopatky v důsledku zmenšení přední plochy a tím i snížení odporu lopatky.

6. Proč mají větrné turbíny pouze tři lopatky?

Lopatky větrného generátoru jsou připojeny k centrálnímu náboji. Tato sestava lopatek a náboje se nazývá rotor turbíny, který generuje aerodynamický točivý moment z větru.

ČTĚTE VÍCE
Co byste neměli dávat svému ježkovi?

Rozumnou otázkou je, proč má větrný mlýn pouze tři lopatky? K zodpovězení této otázky je třeba vzít v úvahu řadu úvah.

Za prvé, použití více než tří lopatek má malý vliv na účinnost větrného generátoru, která se zvyšuje jen velmi málo, pokud jsou použity čtyři lopatky místo tří, ale zvyšuje se hmotnost rotoru a rychlost otáčení, při které je dosaženo špičkového výkonu, klesá.

Za druhé, více čepelí znamená vyšší náklady na materiál a výrobu. Více nožů vyžaduje více údržby.

Jak se počet lopatek zvyšuje, musí být tenčí, což má za následek ztrátu tuhosti a aerodynamické účinnosti. Velké množství lopatek může zvýšit tlak a způsobit převrácení celé konstrukce turbíny.

Konečně tři lopatky umožňují dobře vyvážit dynamické zatížení rotujícího rotoru větrem. Se třemi lopatkami zůstává moment hybnosti konstantní, protože když je jedna lopatka zvednutá, ostatní dvě jsou nasměrovány pod úhlem. Tímto způsobem se větrná turbína může plynule otáčet proti větru.

Ze všech těchto důvodů se tři lopatky staly standardem ve větrné energii.

7. Jaká je optimální rychlost otáčení listu větrné turbíny?

Rychlost větrné turbíny určuje množství elektřiny, které dokáže vyrobit.

Pokud se lopatky točí příliš pomalu, velké množství větru projde nerušeně, což omezí množství energie, kterou lze potenciálně vyrobit. Na druhou stranu, pokud se lopatky točí příliš rychle, chovají se ve větru jako velký plochý rotující disk, který vytváří enormní odpor a omezuje množství energie, kterou lze vyrobit.

Optimální poměr rychlosti hrotu listu je definován jako poměr rychlosti hrotu listu k rychlosti větru. Tento ukazatel závisí na několika faktorech, včetně tvaru, počtu a konstrukce lopatek turbíny.

Standardní otáčky větrné turbíny se pohybují od 5 do 25 otáček za minutu.

Moderní větrné turbíny jsou navrženy tak, aby se otáčely různými rychlostmi, a vysoce účinné třílopatkové turbíny mají optimální poměr otáček lopatek šest ku sedmi.

Větrné turbíny, které při silných poryvech pracují s konstantním převodovým poměrem nebo blízko optimálního převodového poměru, zlepšují účinné zachycování a přeměnu energie.

ČTĚTE VÍCE
Je možné v zimě chytit cejna?

8. Z jakých materiálů jsou vyrobeny lopatky moderních větrných turbín?

Materiál lopatek turbíny hraje rozhodující roli v účinnosti stroje na výrobu elektřiny.

Lopatky větrných turbín musí mít nízkou hmotnost, vysokou pevnost, vysokou tuhost, vysokou únavovou pevnost a vysokou odolnost proti lomu, aby vydržely údery blesku, krupobití, vlhkost a velké změny teplot.

K výrobě lopatek větrných turbín se používá několik typů materiálů, což umožňuje lopatkám pracovat s maximální účinností.

Nejvhodnějším materiálem pro výrobu lopatek větrných turbín jsou vlákny vyztužené kompozity, které mají vysokou pevnost a tuhost a také nízkou hustotu. Menší čepele mohou být vyrobeny z lehkých kovů, jako je hliník, ale budou vyžadovat častou údržbu.

V současné době jsou komerční lopatky větrných turbín vyráběny z polymerů vyztužených vlákny, což jsou kompozity sestávající z polymerní matrice a vláken.

Dlouhá vlákna v těchto materiálech poskytují pevnost a podélnou tuhost, zatímco matrice poskytuje pevnost mimo rovinu, pevnost delaminace, lomovou houževnatost a tuhost.

Plasty vyztužené skleněnými vlákny a uhlíkovými vlákny – plasty vyztužené skleněnými vlákny a uhlíkovými vlákny – jsou také dobré materiály pro čepele, protože mají vysokou lomovou houževnatost, odolnost proti únavě a tepelnou stabilitu.

9. Mohou se lopatky větrné turbíny otáčet v obou směrech?

Stejně jako křídlo letadla generuje vztlak ze vzduchu proudícího pod ním, rotují lopatky rotoru větrné turbíny poháněné větrem proudícím po jeho povrchu. Záleží na tom, kterým směrem se ty obrovské rotorové listy točí?

Listy rotoru větrné turbíny mohou být navrženy tak, aby se otáčely v obou směrech a vyráběly elektřinu – ve směru nebo proti směru hodinových ručiček.

Většina turbín se otáčí ve směru hodinových ručiček z důvodu pohodlí a jednotného globálního standardu. Směr otáčení rotoru však může být rozdíl, když jsou dvě nebo více větrných turbín umístěny za sebou.

10. Jak se čepele udržují a opravují?

Existují dva typy údržby: preventivní a nápravná. Prvním z nich je provádění pravidelných kontrol s cílem zjistit stav lopatek a hledat možné poškození.

Tyto kontroly se provádějí různými způsoby: ze země, šplháním na radlice pomocí lan, jeřábů nebo zvedacích plošin.

ČTĚTE VÍCE
Jak získat čarodějnické koště?

Nápravná údržba spočívá v opravě nebo rekonstrukci lopatek, aby se odstranilo poškození, které se objevuje jak na povrchu, tak v jeho struktuře.

Lopatky větrných turbín mohou mít praskliny, poškození způsobené bleskem a ptáky nebo otvory na přední nebo zadní hraně a další poškození.

V současnosti se zkoumají alternativní systémy oprav a čištění, jako jsou dálkově ovládané drony, aby operátoři nemuseli lézt na větrné turbíny.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí:

Moderní větrná energie je energie velkých kapacit a obřích strojů. Větrné turbíny jsou stále větší a větší. Takhle:

Když se podíváte na změnu ve vnitrozemské flotile větrných turbín v průběhu času, například v Německu, je zřejmý nárůst jejich průměrné velikosti.

Vše roste. Zvětšují se jak věže, které dnes na největších strojích dosahují 140 metrů, zvětšují se lopatky, dosahující délky téměř 90 m, a průměry rotorů dosahující téměř 190 m.

Dnes jsou největší sériové větrné turbíny 8megawattové stroje od společností Vestas (MHI Vestas V164), Adwen (AD-180) a Siemens (SWT-8.0-154 8MW), používané v pobřežní větrné energii, a také 7,5 MW Enercon E Model -126 je největší kontinentální větrný generátor (na obrázku na začátku článku).

Jedná se o produkční modely v provozu. Ještě větší jednotky existují v prototypové podobě.

Existuje omezení velikosti větrných turbín? Čím je to způsobeno?

Je jasné, že velikost větrných turbín se zvyšuje ne z rozmaru, ale na základě ekonomických úvah – ve snaze snížit náklady na elektřinu. Vysoké věže poskytují přístup ke kvalitnějším zdrojům větru (jak říkají odborníci: „ve výšce 100 metrů je vždy komerční vítr“). Zvětšení průměru rotoru umožňuje „zachytit“ více těchto zdrojů a také využít potenciál větru nižší kvality. Zvětšení velikosti může vést ke snížení měrných (na jednotku výkonu) kapitálových a provozních nákladů, což přímo ovlivňuje náklady na elektřinu.

ČTĚTE VÍCE
Proč se petúnie protahují?

Rostoucí velikost větrných turbín zároveň čelí omezením souvisejícím jak s vlastnostmi použitých materiálů, tak s technologiemi dopravy a instalace. Kromě toho existují fyzikální limity nárůstu velikosti popsaného zákonem čtvercové krychle: objem (respektive hmotnost a cena) použitých materiálů může růst rychleji, než je návratnost tohoto nárůstu.

Omezení dopravy, logistiky a instalace se týkají především pevninské větrné energie. Přeprava sekcí věže o velkém průměru a dlouhých lopatek po zemi je vážnou technologickou výzvou. Průměr přepravovaných trubek/kuželů věží větrných turbín je v současnosti omezen na 4,3 metru, ojediněle je možná přeprava průměrů 4,6 metru. Přeprava takových jednotek na velké vzdálenosti je samozřejmě nesmírně obtížná. Jedním z kompromisních řešení je kombinovaná ocel/železobetonová věž, ve které jsou spodní železobetonové sekce s největším průměrem vyrobeny na místě. Navíc je třeba vzít v úvahu, že přepravní a instalační technika (např. velké jeřáby) má své limity.

Omezení uvedená v předchozím odstavci se v menší míře vztahují na větrnou energii na moři, která využívá výrobní technologie/kapacity stavby lodí, stavby na moři a námořní nákladní dopravu.

Studie provedená letos ve Spojených státech, která zahrnovala průzkum mezi 163 předními odborníky z oboru, ukázala, že velikost větrných turbín bude nadále růst. Zároveň je zřejmé, že růstový potenciál offshore větrných generátorů výrazně převyšuje potenciál onshore větrné energie.

Výsledky studie jsou uvedeny v následujících grafech.

Do roku 2030 se průměrná výška věže větrných turbín v kontinentálním větrném průmyslu přiblíží 120 metrům v Evropě i v USA, průměrný průměr rotoru bude v rozmezí 130–140 metrů a průměrný instalovaný výkon na generátor v Evropě se vyšší než 3,5 MW.

V offshore větrné energii jsou plánované změny mnohem významnější. Průměrný výkon větrných turbín na evropském trhu dosáhne 11 MW, s věžemi vysokými přes 220 metrů. Rozšíří se plovoucí větrné elektrárny. Někteří odborníci předpokládají, že do roku 2030 Maximální výkon pobřežních větrných turbín na pevném základu může dosáhnout 18 MW, tedy více než dvojnásobek dnešních rekordních úrovní.

Je přitom jasné, že větrné elektrárny nebudou růst donekonečna. Pravděpodobně brzy zjistíme optimum, jehož překročení bude náročné především z logistického hlediska a nebude ekonomicky opodstatněné.