7.2.3.3
Vertikální vzduchové generátory 04: Základní typy vertikálních větrných elektráren
Ing. Bohumil Číhal
Společným znakem technologických systémů těchto elektráren je vertikální (svislá) osa rotoru a její přímé spojení s generátorem. Základní dělení větrných turbín je podle jejich aerodynamického principu, na vztlakové (lift turbines) a odporové (drag turbines).
NahoruOdporové větrné turbíny
Tento typ větrných turbín je nejjednodušší a nejstarší. Pracuje na principu odporové síly, kterou klade plocha (lopatka) proti proudícímu větru. Tím je zařízení uvedeno do rotace. Pro tuto wfunkci je velmi důležité, aby plocha na druhé straně kladla menší odpor vůči proudícímu vzduchu, jinak by se síly vyvážily a nedocházelo by k rotaci. Tento problém se nejčastěji řeší různým tvarem lopatek (tvaru misek apod.), nebo jejich natáčením tak, aby jedna lopatka vždy kladla co největší možný odpor, zatímco ostatní lopatky budou klást odpor minimální.
Odporové větrné turbíny dosahují značně nižších účinností než větrné turbíny vztlakové.
Obr. č. 1: Odporová větrná turbína s natáčejícími se lopatkami
NahoruVztlakové větrné turbíny
Vztlakové větrné turbíny mají speciálně tvarované lopatky (podobně jako profil křídla letadla), na kterých vznikají aerodynamické síly (vztlak) vlivem proudění vzduchu podél lopatek. Tento vztlak je příčinou roztočení rotoru s lopatkami (vrtule). Jedná se o nejpoužívanější typ větrných turbín, který dosahuje vyšších účinností nežli větrné turbíny odporové.
Tento druh větrných turbín s vertikální osou rotace (VAWT) se používá převážně u malých větrných turbín. Díky vertikální ose rotace není potřeba turbínu natáčet proti směru větru, což je jejich hlavní výhodou. Strojovna je umístěna v přímém dosahu, což zjednodušuje její případnou údržbu. Zabírají méně prostoru než horizontální větrné turbíny a mají nižší emise hluku. Přes uvedené výhody jsou dominantní větrné turbíny s horizontální osou rotace levnější a dosahují vyšších účinností (až 48 % až 35 %).
Uvádějí se dva principiální typy vertikálních turbín, z nichž jeden pracuje na odporovém principu (Savonius) a druhý pracuje na vztlakovém principu (Darrieus). Nejdříve uvedeme jejich charakteristiku a posléze i některé konkrétní aplikace.
NahoruTyp Savonius
Větrné elektrárny Savonius mají rotor, využívající odporové síly pro svou rotaci, s velmi jednoduchou konstrukcí. Je tvořený dvěma přesazenými válcovými plochami, vypuklou a vydutou plochou, které jsou umístěny vedle sebe na společné svislé ose rotace. Svým půdorysem tvoří podobu písmene S.
Obr. č. 2: Rotor typu Savonius
Předsazení lopatek je přibližně 20 % průměru rotoru. Při provozu se část energie větru dostane ze zadní strany závětrné lopatky na přední stranu návětrné lopatky. Otáčivý pohyb je vyvolán pouze rozdílem tlaku proudícího vzduchu (větru) na vypuklou a vydutou plochu. Využívá Robinsonův jev, podle něhož polokoule nastavená větru svojí vydutou stranou má skoro čtyřnásobně větší odpor než, když je nastavena větru svojí vypouklou stranou.
Savoniův rotor se snadno rozbíhá i při nízkých rychlostech větru, ale naopak při vyšších rychlostech větru hrozí jeho destrukce. Důsledkem velmi jednoduché konstrukce rotoru je jeho malá účinnost (Betz 0,21). Modernější konstrukce těchto rotorů využívají laminátů a jejich účinné plochy jsou občas spirálovitě stočeny.
Obr. č. 3: Některé variace tvaru rotoru
Problémem rotorů typu Savonius je, kromě nízké účinnosti, také jejich menší konstrukční odolnost a větší riziko destrukce silným větrem nebo vichřicí.
NahoruTyp Darrieus
Větrné turbíny typu Darrieus jsou sofistikovanější, využívají více vztlakového principu. Jsou nejvýznamnějším představitelem vertikálních větrných turbín. Jejich účinné plochy mají podobu aerodynamicky tvarovaných štíhlých lišt různých tvarů, uspořádaných kolem osy rotoru na jednoduchých úchytech (konzolách, obručích), případně lukovitě prohnutých a přímo uchycených na obou koncích k horizontálně uložené ose. Na nich při proudění vzduchu vznikají vztlakové síly, kterých využívá pro svou rotaci. Dosahuje o něco vyšší účinnosti než typ Savonius, ale potřebuje větší rychlost větru pro rozběh, kvůli čemuž se pro jeho rozběh často využívá cizího zdroje. Účinnost tohoto typu může…
