Připadá mi, že každý týden je představena nová inovace větrného generátoru, někdy na technologických blozích, někdy v televizních pořadech, jednou dokonce na TED Talks. Všechny tvrdí, že jsou lepší než ikonické větrné turbíny s třemi lopatkami a horizontální osou, které známe nejlépe. Jaká je tedy nejefektivnější konstrukce pro získávání větrné energie? Pokud by na každou konstrukci působil konstantní zdroj větru a každá konstrukce by měla stejnou plochu (lopatek, aerodynamických fólií nebo jiné součásti), která by za stejný časový interval vyrobila nejvíce elektřiny?“
Krátká odpověď
Moderní větrná turbína s horizontální osou a třemi lopatkami by vyrobila nejvíce elektřiny. Na tvrzení o lepším výkonu alternativních technologií doprovázená žádostmi o investice je třeba pohlížet krajně skepticky.
Dlouhá odpověď
Maximální potenciální výroba z určitého objemu větru je určena Betzovým zákonem (alternativně známým jako Betzův limit). Betz vypočítal, že maximální výkon, který lze z větru získat, je 59,3 % jeho celkové energie.
Třílopatkové větrné turbíny s horizontální osou
Vertikální-osové větrné turbíny s aerodynamickými lopatkami
Kabel, létající větrné generátory (v současnosti pouze prototypy a rendery)
Horizontální-osové větrné generátory různých typů bez aerodynamické složky lopatek
Vertikální-osové větrné generátory různých typů, například Savoniův generátor bez aerodynamických lopatek
Různá zařízení, která vypadají jako proudové motory, nebo tryskové motory s velkými trychtýři, kužely s písty (Saphonian ) nebo vývrtky
Věže, které využívají pasivní solární ohřev kolem své základny k vytvoření silného větru proudícího vzhůru věží kolem lopatek větrných turbín otáčejících se uvnitř věže
Jak se staví?
V současné době vyrábí elektřinu více než 300 000 větrných turbín s třemi lopatkami a horizontální osou pro užitkové účely. Jsou vítěznou formou výroby, protože jsou nejefektivnější. Důvody jsou snadno vysvětlitelné:
Aerodynamické lopatky přidávají složku síly související se vztlakem, která pohání lopatku rychleji. To je významná výhoda oproti větrným mlýnům, ať už s horizontální nebo vertikální osou. Každá i vhodně navržená větrná turbína s aerodynamickými lopatkami bude vždy vyrábět více elektřiny než nejlepší generátor bez aerodynamického vztlaku jako složky zachycení energie.
Lopatky třílopatkové konstrukce vždy prolétávají čistým vzduchem. Turbulence z průletu předchozí lopatky se přenáší po větru v době, kdy stejným místem prolétá další lopatka. Větrné turbíny se svislou osou, ať už lopatkové nebo čistě odporové, prolétávají značnou část času turbulentním vzduchem. Čistý vzduch umožňuje třílopatkovým HAWT značnou výhodu.
Lopatky třílopatkové konstrukce jsou vždy prezentovány pod optimálním úhlem vůči protivítrům. Aerodynamické větrné turbíny s vertikální osou lopatek při otáčení neustále mění úhel svých lopatek vůči protivítrům a jen část i těch nejlepších konstrukcí je v daném okamžiku v optimálním úhlu. Vyrovnávání lopatek HAWT vůči proudícímu vzduchu vyžaduje ve srovnání s touto výhodou triviální množství energie. Savoniovy větrné generátory (pojmenované po finském inženýrovi, který v roce 1922 vytvořil běžnou variantu) jsou ještě horší, protože na polovině své plochy zachycují vítr v konkávní části a na druhé polovině své plochy vítr vypouštějí s doprovodným odporem a dalšími turbulencemi. (Analyzoval jsem potenciální investici malé firmy do mikroelektrárny a zjistil jsem, že vynálezce vytvořil 5 „inovací“ kolem základní Savoniovy premisy, které ji posunuly od levné formy výroby energie postačující pro drobné zavlažovací účely k velmi drahé formě výroby energie postačující pro drobné zavlažovací účely). Pro kontext uvádíme nákladově efektivní Savoniův větrný mlýn na zavlažování vyrobený ze starého plastového sudu a odpadového dřeva.
Tři lopatky se dobře škálují. Jednou z největších výhod je, že můžete umístit velmi velkou sadu lopatek na velmi vysokou věž a shromáždit spoustu větru nad bodem, kde se zpomaluje v důsledku kontaktu se zemí.
Bylo navrženo mnoho „inovativních“ návrhů, které využívají určitý druh Venturiho efektu v kombinaci s rotory turbíny, ale zásadním problémem je, že abyste shromáždili dostatečné množství větru, musíte vnější plášť škálovat až do bodu, kdy se hmotnost a náklady na materiál stanou neúnosnými. Vnější plášť se musí zvětšit nejméně na druhou mocninu průměru a pravděpodobně i více. Větrná turbína o výkonu 3 MW s 80metrovými lopatkami může zachytit jen část energie z 20 096 metrů čtverečních vzduchu. Venturiho plášť v tomto měřítku by měl obvod 251,2 metru, pravděpodobně by musel mít šířku alespoň 10 metrů, než by se začaly projevovat znatelné účinky, a vážil by obrovské množství.
Jiné „inovativní“ návrhy pouštějí taková či onaká zařízení zachycující vítr – lopatky turbín ve tvaru vzducholodí, rámy s turbínami, draky s turbínami – do větru, který je stálejší a výše nad zemí. Problémem je, že neustále narážejí na limity měřítka. Větrný generátor ve tvaru vzducholodě začíná mít problémy s tuhostí dlouho předtím, než se dostane k výrobě v užitkovém měřítku. Létající draci s lopatkami začnou vyžadovat masivní a velmi dlouhá lana, aby odolali silám. Obecně jsou tyto prototypy velmi zajímavé a nikdy se nedostanou na trh. Všechny začnou vyžadovat masivní pozemní instalace s mimořádně velkými navijáky, když chcete dosáhnout užitkové úrovně výroby. Když začnete uvažovat o síle na úrovni lodního hawsera vynásobené kilometry kabelu, začnete si uvědomovat, že samotná hmotnost a náklady na kabel se stávají neúnosnými při jakékoli užitečné úrovni výroby.
Tři lopatky prostě sedí na jednom místě na velkém sloupu, když vyrábějí elektřinu. To je velmi efektivní, což je jeden z důvodů, proč se jim energie použitá při stavbě vrací rychleji než jakémukoli jinému způsobu výroby elektřiny. Jedna větrná farma v Austrálii vyrobila za rok 302krát více elektřiny, než se spotřebovalo na jejich spuštění, zabrzdění a natočení do větru. Srovnejte to s požadavky na létající větrnou turbínu, která se musí přitáhnout, když nefouká vítr, spustit, když začne foukat, a má těžký kabel dlouhý potenciálně kilometry upravený tak, aby pravidelně maximalizoval výrobu.
Následující graf je z knihy E. Haua z roku 2006, Wind Turbines: Základy, technologie, aplikace, ekonomika. Springer. Německo. 2006. Ani v té době nešlo o žádnou novinku, ale pouze o samozřejmé konstatování, které je třeba zahrnout do učebnic.
Solárně-větrná věž s lopatkami turbíny má nejblíže k tomu, že jde o zajímavou technologii, nicméně údržba není nikdy prozkoumána. Často se předpokládá, že turbíny budou umístěny 3-7 nebo vícekrát vodorovně po délce věže. Případně jsou mnohem menší rozmístěny kolem základny věže uvnitř tunelů vedoucích z rozsáhlé soustavy skel. Budou pracovat ve velmi horkém větru, pravděpodobně 45 stupňů Celsia nebo vyšším, při rychlosti 50 km/h a vyšší. Zařízení je vlastně konvekční pec, která by v krátké době uvařila člověka. Práce uvnitř věže by vyžadovala chladicí obleky a dýchací přístroje, pokud by to rychlost větru vůbec umožňovala. Vytažení hlavy turbíny nebo lopatek z věže za účelem jejich servisu by bylo mimořádně náročné. Uzavření větrného přívodu by vyžadovalo zavření vrat o průměru pěti kilometrů.
Podívejte se pozorně na můj související příspěvek Invest; „inovace“ větrné energie jsou zřídkakdy košer pro otázky, které je třeba klást o jakémkoli inovativním díle větrné energetiky, zejména pokud po vás někdo chce, abyste do něj vložili peníze.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
Proč nejsou větrné turbíny se svislou osou populárnější
Jsou vzdušné větrné turbíny věrohodným zdrojem levné energie
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
Větrné turbíny splatí celkový ekologický ‚dluh‘ za méně než šest měsíců
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
Vynikající materiál Paula Gipeho o ekonomice výroby energie z větru
.
