Větrná turbína

Větrná turbína je část větrné elektrárny, která přeměňuje kinetickou energii větru na elektrickou energii. Hřídel turbíny je roztáčena proudícím větrem a pohání elektrický generátor, který dodává elektřinu do elektrické sítě. Elektřina vytvořená z větru je obnovitelná energie přispívající k udržitelnému rozvoji. Skupina větrných turbín se nazývá větrná farma.

Větrná elektrárna se skládá z ocelového tubusu (stožáru), který je obvykle ukotven do železobetonového podstavce (podstavec může být i stavba nebo může být plovoucí). Na vrcholu stožáru je umístěna otočná gondola, v níž je umístěna strojovna. Ve strojovně je upevněno ložisko rotoru s brzdou, kterým prochází hřídel. Na jednom konci hřídele je umístěna větrná turbína a na druhém elektrický generátor. U větších turbín je nutné pomocí natáčení listů plynule měnit jejich úhel náběhu, aby byly zajištěny jak optimální podmínky pro využití rychlosti větru, tak i optimální otáčky elektrického generátoru. Současné velké větrné turbíny mívají tři listy, protože větší počet listů by vyžadoval neekonomické náklady na posílení pevnosti hřídele, odolnosti ložiska a tím i nárůst hmotnosti gondoly, což by si vyžádalo i větší pevnost tubusu, na který by působily přes turbínu příliš vysoké tlaky větru. Vícelisté rotory se proto používají jen u menších turbín.^[1]

Větrné turbíny se otáčí rychlostí 10 až 22 otáček za minutu při obvodové rychlostí až 320 km/h. Rotor turbíny se většinou začíná otáčet při rychlosti větru přesahující 2 až 5 m/s (7 až 18 km/h). Výkon turbíny roste s třetí mocninou rychlosti větru, tedy velmi rychle. Při rychlosti větru zhruba mezi 10 až 14 m/s (36 až 50 km/h) dosáhne výkon turbíny maxima a jeho zvyšování už nepokračuje. Při rychlosti větru 20 až 25 m/s (75 až 90 km/h) se turbína vypíná, aktivuje se brzda a listy i gondola se nastaví do polohy, v níž je riziko poškození co nejmenší. Konstrukční odolnost celé stavby je obvykle projektována do rychlosti větru mezi 40 do 72 m/s (144 až 259 km/hod), což závisí na místních předpokládaných podmínkách.^[1] Vyšší odolnost konstrukce by znamenala prodražení stavby, a proto je volen vhodný kompromis (odlehčení vs. dosažitelný výkon).

Koeficient ročního využití výkonu (kapacitní faktor), se pohybuje mezi 15 až 50 % instalovaného výkonu, ale velmi silně závisí na místních geografických podmínkách. Nejlepší podmínky jsou v pobřežních vodách moří, na rovných pláních, případně na oblých holých hřebenech hor. Výhodnost umístění jde obvykle proti zájmu instalovat zdroje elektrické energie co nejblíže místu její spotřeby. Větrné farmy, které mohou obsahovat desítky až tisíce větrných turbín, jsou stavěny tak, aby vzdálenost mezi jednotlivými turbínami byla šesti až desetinásobek průměru rotoru. Nejmenší vzdálenost bývá trojnásobek průměru v případě, že převládající směr větru je kolmo na řadu turbín.^[1]

Větrná turbína dodává elektřinu jen v době, kdy fouká vítr o přiměřené rychlosti (ani moc ani málo). Kvůli výpadkům výroby větrných turbín je nutné mít v distribuční soustavě stále k dispozici alespoň stejný výkon stabilních zdrojů (tepelné nebo plynové elektrárny s rychlým náběhem), které výpadek mohou kdykoliv nahradit.^[2] Protože záložní zdroje nejsou využívány trvale, zvyšují nepřímo uhlíkovou stopu větrných elektráren a zvyšují cenu elektřiny pro koncového spotřebitele.^[3]

Při instalaci větrných turbín je nutné přihlížet k vlivu na životní prostředí v místě jejich instalace. Větrné turbíny při svém provozu generují hluk, usmrcují ptáky. Dále zabírají volnou krajinu, narušují krajinné panorama, vyžadují výstavbu přístupových komunikací, oplocení zabraného prostoru, vymýcení případných stromů, pravidelné sečení trávy v uzavřeném prostoru atp. Větší turbíny nelze budovat v blízkosti lidských obydlí nebo jiných provozů z důvodu bezpečnosti, protože při závadě nelze vyloučit požár gondoly, zřícení listů rotoru nebo vlastního nosného stožáru. Často je výstavba blokována místními obyvateli nebo ekologickými organizacemi.

Likvidace poškozených, nebo vyřazených listů větrných elektráren je zátěž pro životní prostředí, jelikož jsou vyrobeny ze sklolaminátu.

V roce 2015 firma Siemens při příležitosti Mezinárodního dne větru vyhodnotila přínos a uhlíkovou stopu větrných elektráren. Do vstupů započetli energii nutnou k výrobě materiálu a veškeré energetické výdaje související s výrobou, výstavbou, provozem, údržbou i následným rozebráním a recyklací. Větrná farma s 80 větrníky umístěnými na moři s plánovanou životností 25 let podle jejich studie vygeneruje 53 mil. MWh elektrické energie s uhlíkovou stopou 7 g CO₂ na 1 kWh (pro srovnání: energie generovaná z fosilních paliv má průměrnou výši 865 g CO₂ na 1 kWh).^[4]

Účinnost (a tím nižší uhlíková stopa) větrné elektrárny se zvyšuje s její velikostí (proto jsou stavěny čím dál větší větrné turbíny) a podle koeficientu ročního využití jejího jmenovitého výkonu (offshorové mají vyšší výkon i koeficient ročního využití než pevninské).^[5] Menší větrné elektrárny (a ty umístěné na pevnině) mají proto vyšší uhlíkovou stopu. Uhlíkovou stopu zvyšují náklady na přenosovou soustavu, nárazovou výrobu proudu a nutnost instalace záložních zdrojů (pro případy, kdy větrná elektrárna nevyrábí).

Proudící vzduch předává lopatkám větrné turbíny část své kinetické energie. Albert Betz v roce 1919 odvodil teoreticky maximální dosažitelnou účinnost větrného stroje na 59,3 % (tzv. Betzovo pravidlo).^[6] Kinetická energie větru se v turbíně mění na energii otáčivého pohybu a následně v generátoru na energii elektrickou. Teoreticky dosažitelný výkon činí v případě jednotkové plochy

${\displaystyle P_{t}=k_{B}\cdot \rho \cdot {\frac {v^{3}}{2}}}$, kde k_B je Betzův koeficient 0,59

Pro reálné turbíny s průměrem rotoru D (tedy délkou lopatky D/2) se používá vzorec

${\displaystyle P=c_{p}\cdot \rho \cdot {\frac {v^{3}}{2}}\cdot \pi \cdot {\frac {D^{2}}{4}}}$, kde c_p je součinitel výkonnosti, v ideálním případě rovný 0,59

Součinitel výkonnosti je sám o sobě funkcí rychlosti větru a je dán konstrukčním řešením turbíny, konkrétně převodní křivkou úhlu natočení lopatek turbíny v závislosti na rychlosti větru. To, v kombinaci s kubickou závislostí na rychlosti větru způsobuje pronikavou závislost skutečného výkonu na rychlosti větru (při poloviční rychlosti je výkon osminový atd.).

Další podstatnou hodnotou, definující účinnost větrného zdroje je koeficient ročního využití ${\displaystyle k}$, definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky možnému výkonu zdroje za rok:

${\displaystyle k={\frac {W_{r}}{P_{i}\cdot h}}}$

V českých podmínkách se ${\displaystyle k}$ pohybuje v mezích 0,1-0,2, pro velmi větrné lokality dosahuje teoreticky až 0,28.^[7] Hodnota ovšem značně závisí na zvolené lokalitě - větrná farma Sternwald na rakousko-českých hranicích ve východní části Šumavy dosáhla se 7 větrnými generátory o instalovaném výkonu 14 MW koeficientu ročního využití za rok 2006 21,9 %, za první 4 měsíce roku 2007 se dokonce podařilo dosáhnout hodnoty průměrného využití 32,3 % (přičemž po zbytek téhož roku to bylo necelých 20%).^[8]

Výkon větrné turbíny rychle stoupá s třetí mocninou rychlosti větru, ale jen do určité výše. Pak je nutné výkon omezit, případně turbínu odstavit, aby byla chráněna před poškozením.

• Typické využití: malé větrné elektrárny na budovách
• Počet listů rotoru: až 150
• Účinnost: 20-43 %
• Náběhová rychlost (m/s): 0,16

• Typické využití: výroba elektrické energie (střídavý a třífázový proud)
• Počet listů rotoru: 1 - 4
• Účinnost: ~45 % (max. se uvádí 48 %)
• Náběhová rychlost (m/s): 3 - 6
• Poznámka: nejpoužívanější typ

• Typické využití: čerpání vody, výroba stejnosměrné elektrické energie
• Počet listů rotoru: 2
• Účinnost: ~20 (max. se uvádí 23 %)
• Náběhová rychlost (m/s): 2 - 3
• Poznámka: obvodová rychlost rotoru je vyšší než rychlost větru, často používán pro náběh Darrierova rotoru

• Typické využití: výroba elektrické energie (střídavý a třífázový proud)
• Počet listů rotoru: 2 - 3
• Účinnost: 38 % (max. se uvádí 48 %)
• Náběhová rychlost (m/s): 5 - 8
• Poznámka: vyžaduje pomoc při náběhu

• Ukázky různých větrných turbín
• 
  Halladayova turbína na mlýně v Ruprechtově
• 
  Rotor spirálové větrné turbíny (typ savonius)
• 
  Darrieova turbína v Bádensku-Württembersku

• DOUBEK, Jan; KOČ, Břetislav; URBÁNEK, Radim. Co roztáčel vítr : historie a současnost větrných mlýnů, mlýnků a čerpadel. První vydání. vyd. Brno: [s.n.] 341 s. Dostupné online. ISBN 978-80-87542-30-9, ISBN 80-87542-30-4. OCLC 1200255880 

• Větrná energie
• Větrná energetika
• Větrná farma

• Obrázky, zvuky či videa k tématu větrná turbína na Wikimedia Commons
• O větrných turbínách a principu jejich funkce
• Galerie větrná turbína na Wikimedia Commons