Jak se točí větrné mlýny?

Vítr přišel do služeb člověka před tisíci lety, od doby objevení se první plachetnice a stavby prvního větrného mlýna. Dnes se větrná energie přeměňuje na elektřinu pomocí větrných generátorů, které se spojují do jednotných sítí – větrných elektráren. Pojďme zjistit, jak jsou větrné generátory navrženy, proč dosahují stále výš a výš a jaké faktory, kromě nestálosti větrů, jim nedovolí nahradit tradiční energii na dlouhou dobu.

JAK ZÍSKAT ELEKTŘINU Z VĚTRU

Nejprve musíte „dostat“ samotný vítr a důvod jeho výskytu je daleko za Zemí. Povrch naší planety je nerovnoměrně zahříván slunečními paprsky. Teplý vzduch stoupá vzhůru a je nahrazen vzduchovými hmotami z chladnějších oblastí – tak začíná vzájemný pohyb vzduchových hmot, kterému říkáme vítr.

Lopatky větrných generátorů dosahují impozantních rozměrů a mohou být umístěny ve výšce více než 100 metrů nad zemí – výše než katedrála svatého Izáka

Vítr naráží na lopatky větrného generátoru a otáčí je. Kinetická energie vzdušných hmot se přeměňuje na mechanickou energii lopatek, které jsou napojeny na elektrický generátor. Jeho dvě hlavní části jsou stator a rotor. Prostřednictvím pohonů se mechanická energie lopatek přenese na rotor a ten se začne otáčet. Jak se ale mechanická energie mění na elektrickou?

Kolem rotoru a statoru jsou navinuty dráty, uvnitř kterých jsou volné nosiče elektrického náboje – elektrony. K tomu, aby uspořádaně běžely po vodiči a proměnily se v elektrický proud, který všichni známe v zásuvce, potřebují „motivaci“ – elektrické pole. Části generátoru jsou vyrobeny z magnetických materiálů, má tedy magnetické pole, jehož parametry se mění s otáčením rotoru. Podle zákona elektromagnetické indukce vytváří magnetické pole s měnícími se parametry (střídavé) kolem sebe stejné střídavé elektrické pole, které „vykopává“ volné elektrony z vinutí generátoru do elektrického vedení a odtud do našich zásuvek.

Pokud jezdíte na kole s nainstalovanou baterkou, která se rozsvítí díky otáčení pedálů, pak v systému „man-pedals-lantern“ budete takzvanou pracovní tekutinou, stejně jako vítr pro větrný generátor. Pedály v tomto příkladu simulují pádla. Přeměníte svou mechanickou energii na energii elektromagnetickou, díky čemuž bude baterka jasně svítit. Ve skutečnosti je to princip fungování jakéhokoli elektrického generátoru a je stejný ve vodních, tepelných a jaderných elektrárnách. Rozdíl je v tom, jaká pracovní tekutina se používá – vzduch, voda nebo horká pára.

CO SE DĚJE VĚTRNÁ ENERGIE K DOBÝVÁNÍ SVĚTA

Vítr je bezplatný zdroj energie, ale častěji se mluví o vysokých nákladech na elektrárny. Uhlí, ropa a plyn tvoří více než 2/3 celkové celosvětové spotřeby elektřiny, zatímco větrná energie představuje pouze 6 %, a to i přes její rychlý rozvoj za posledních 20–30 let. Proč lidstvo ještě úplně nepřešlo na větrné mlýny?

Vítr ne vždy fouká, jeho rychlost je proměnlivá, jeho chování je obtížné předvídat a někdy vůbec neexistuje: námořníci tomu říkají klid. Bezvětří znamenalo pro mlynáře finanční ztráty: pytle s obilím se hromadily a museli čekat nebo mlýnské kameny otáčet pomocí zvířat. Nyní klid ruší energetiky. Lidstvo se nemůže stát závislým na tak nespolehlivém zdroji. Bez ohledu na to, jak se bude větrná energetika vyvíjet, pojistkou budou vždy záložní plynové nebo uhelné stanice, které bude nutné spustit při slabém nebo žádném větru.

Kvůli nestabilnímu počasí budou větrné elektrárny vždy zálohovány plynem nebo uhlím. Na fotografii – elektrárna s plynovou turbínou pole East Messoyakhskoye společnosti Gazprom Neft

Energie, kterou může vítr vyrobit, je úměrná třetí mocnině jeho rychlosti: E ~ v3. Pokud se rychlost větru zdvojnásobí, produkce energie se zvýší osminásobně; s nárůstem třikrát – 27krát. Při průměrné rychlosti větru pod pět metrů za sekundu nemá smysl stavět větrné farmy, jde o „peníze do kanalizace“ v doslovném smyslu. Vzhledem k různým rychlostem větru v různých zemích není větrná energie zjevně schopna dobýt všechny oblasti světa.

Větrné stanice vyžadují hodně místa: větrné generátory musí být umístěny tak, aby jeden nespadl do „stínu větru“ druhého, což zpomaluje rychlost větru. Empirický vzorec L = 10*H (kde L je vzdálenost mezi generátory a H je výška, ve které se nacházejí) ukazuje, že pokud je výška stožáru generátoru 100 metrů, vzdálenost mezi stožáry by měla být min. kilometr. Větrné elektrárny vyžadují obrovskou plochu a v hustě obydlených oblastech pro ně nemusí být dostatek místa. Například západní Evropa dosáhla limitů růstu větrných elektráren a tempo výstavby nových elektráren v posledních letech výrazně pokleslo.

Větrné generátory se zvedají výš a výš – tam vítr fouká silnější a stabilnější a jsou také odváženy na mořský šelf – staví se pobřežní větrné elektrárny. Generátory jsou umístěny na stožárech vysokých více než 100 metrů a možná v příštích letech bude „vzata“ výška 200 metrů. Vysoké stožáry zvyšují produktivitu, ale také stojí více.

Konečně jsou tu zákony aerodynamiky, dobře prostudované našimi vědci: moderní světová větrná energie vzrostla, a to i na základech sovětské aerodynamické školy. Podle zákona Žukovského-Betze nemůže větrná turbína v zásadě využít více než 59,3 % (nebo 16/27) větrné energie, která jí byla dodána. Poměr skutečně vyrobené energie k maximu teoreticky možnému u větrných stanic přitom nepřesahuje 30 %. U tepelných stanic je obvyklá hodnota tohoto ukazatele 80 %.

BUDOUCNOST VĚTRNÉ ENERGIE

Podíl větru na celosvětové výrobě elektřiny poroste, tažen především Čínou, Indií, Brazílií a dalšími zeměmi Asie, Latinské Ameriky a Afriky, kde je prostor pro větrné farmy a příznivé povětrnostní podmínky. Důležité je následovat přírodu. Například existuje zóna silných konstantních pasátů vanoucích na obou polokoulích od 30 zeměpisných šířek k rovníku. Možná právě zde za desítky let vznikne globální centrum větrné energie nebo dokonce pás.

Větrné elektrárny jsou stále vyšší a stoupají do hor

V Rusku bylo za posledních 3–5 let postaveno několik velkých větrných elektráren a jejich celková kapacita na začátku roku 2022 přesáhla dva gigawatty. V tuto chvíli je to 1 % všech našich energetických kapacit a dokážou vyrobit maximálně 0,5 % veškeré potřebné elektřiny. Na většině našeho území jsou větry výrazně slabší než například na západoevropském území obráceném k Atlantiku. V Rusku však existují území s dobrými větrnými podmínkami – na mořském pobřeží, v stepních a podhorských oblastech.

Naše země má tu výhodu, že má vlastní výkonnou výzkumnou a výrobní školu související s větrnou energií. Nápady a vývoj vznikají ve vědecké komunitě. Země má podniky na výrobu zařízení pro větrnou energii, postavené i v posledních letech. To vše nám však umožňuje mluvit o větrné energii v Rusku jen s opatrným optimismem.

Souhlasíte s tím, co bylo napsáno? Nebo se váš názor liší od názoru redakce? Zanechte své komentáře – je pro nás důležité vědět, co si myslíte.