Větrné elektrárny I. – Historie do roku 1975
Článek nás provede historií větrných elektráren od prvních pokusů s větrníky přes nové typy rotorů a nárůst výkonu až po první větrné elektrárny v České republice.
První větrné elektrárny byla sestrojeny již (nebo až?) na přelomu 80.–90. let 19. století. Ta otázka zda „již“ nebo „až“ proto, že se tak stalo po více než 50 letech od vynálezu dynama, která začala být připojována k různým zdrojům jejich pohonu: k parním strojům, vodním turbínám, spalovacím motorům. Vítr si však ještě několik desetiletí počkal.
První krůčky z Dánska a USA
Podle dochovaných dokumentů sestrojili první větrné elektrárny nezávisle a krátce po sobě dva badatelé. V Americe to byl v letech 1887–88 v Clevelandu (Ohio) Charles F. Brush, v Evropě pak o tři roky později, r. 1891 profesor lidové školy v dánském městečku Askov, Poul la Cour (1846–1908).
První větrná elektrárna Charlese F. Brushe, sestrojená r. 1888 v Cleveladu (Ohio, USA) (repro archiv)
Areál badatelny Poul la Coura v Askově (Dánsko), asi 1885, vpravo první konstrukce větrné elektrárny z r. 1891, vlevo objekt se zkušební plošinou pro další typy. (Foto B. Koč)
Zatímco Brushova elektrárna vycházela z typického „amerického“ větrného kola s mnoha lopatkami, Poul la Cour byl u své první větrné elektrárny zjevně inspirován klasickou podobou, konstrukcí i počtem křídel větrného mlýna. O elektrárně Ch. F. Brushe jsou známa i její základní technická data. Rotor s průměrem 50 stop (asi 17 metrů!) se skládal ze 144 paprskovitě uspořádaných lopatek z cedrového dřeva. Byl spojen s generátorem, který při 500 otáčkách za minutu dosahoval elektrického výkonu 12 kW. Brushova elektrárna tak byla v porovnání s první konstrukcí P. la Coura několikanásobně větší i výkonnější, naopak vývoj strojů „dánského Edisona“ spěl na základě vynálezcových experimentů a testů ve vlastním „větrném tunelu“ k výkonnějším typům s redukovaným počtem listů, což Poul la Cour podložil měřením účinnosti rotorů s různým počtem listů. Cour také formuloval obecný vzorec pro závislost výkonu elektrárny na průměru rotoru, hustotě vzduchu a rychlosti větru.
Současná podoba objektu v Askově, dnes Muzeum Poul la Coura (Foto B. Koč)
Na návštěvníky muzea dohlíží z obrazu sám profesor Poul la Cour, průvodce expozicí demonstruje formuli výkonu větrného motoru. (Foto B. Koč)
Replika větrného tunelu, jímž Poul la Cour měřil a ověřoval chování rotorů s různým počtem křídel. (Foto B. Koč)
A není bez zajímavosti, že větrnou elektrárnu velmi podobnou čtyřlistému prototypu Poul la Coura měl při své legendární polární expedici, k níž vyplul roku 1883, slavný Fridtjof Nansen s lodí Fram. Dokumentuje to i několik fotografií, kreseb a textových zmínek o větrné elektrárně na palubě Framu v objemné dvoudílné knize F. Nanesena o této expedici z let 1883–86, která vyšla v českém překladu r. 1897. Byl tedy Nansen při přípravě expedice v kontaktu s Poul la Courem?
Větrná elektrárna s akumulací již v roce 1900
Poul la Cour však dokonce předběhl dobu o více než 120 let tím, že prakticky řešil i akumulaci elektrické energie vyrobené jeho větrnou elektrárnou. Elektrolýzou vyráběl po r. 1900 v elektrolyzéru vlastní konstrukce vodík (až 1000 l za hodinu), který jímal a používal ke svícení v lampách vlastní konstrukce ve 300 m vzdálené škole. Kupodivu to profesor i žáci bez úhony přežili. V původním autentickém objektu Poul la Courovy badatelny je nyní jeho muzeum.
Tzv. farmářský mlýnek u Tverstedu na západním pobřeží Jutského poloostrova). V letech 1875–1940 jich bylo několik stovek, z podoby a velikosti jejich rotoru zřejmě vycházel Poul la Cour při stavbě své první větrné elektrárny. (Foto B. Koč)
Až do čtyřicátých let 19. století využívaly tehdejší větrem poháněné rotory pouze tlakového principu vzniku otáčivého pohybu prostřednictvím 4–6 „křídel“, která později místo plochých výplní rámů začala být vybavena žaluziemi, jejichž naklápění umožňovalo snadnější regulaci chodu ať už ručně nebo i poloautomaticky. Průměr rotorů jen ojediněle překročil 10 metrů. Regulace chodu byla možná natáčením rotoru proti větru pomocí jednoduchého kormidla, které mohlo díky svému vychýlení od osy rotoru při silnějším větru způsobit i směrové vychýlení osy rotoru do „mrtvé polohy“, aby nedošlo k destrukci zařízení při vysokých rychlostech větru. Výkony těchto zařízení jsou odhadovány na hodnoty kolem 10 kW pro mechanickou práci. Mnoho větrných kol bylo také používáno pro pohon čerpadel vody pro závlahy, pro parní lokomotivy u železničních stanic nebo pro potřebu farem, průmyslových podniků nebo vodovodů v obcích.
Historii větrných elektráren v Evropě i ve 20. století dál psalo především Dánsko. Poul la Cour vychoval své nástupce, kteří pokračovali v jeho díle nejen na úrovni konstrukce výkonnějších a technologicky vyspělejších prototypů, ale i při iniciování podnikatelských aktivit desítek dílen a malých továren, které nové typy či jejich komponenty vyráběly. Nové konstrukce se ve stovkách objevovaly nad střechami hospodářských usedlostí. Tam k některým malým farmářským mlýnkům, sloužícím klasicky ke šrotování zrnin nebo pro mletí mouky byla připojována i dynama a souběžně přibývalo jednoúčelových konstrukcí pohánějících výhradně dynama či generátory pro výrobu elektřiny pro její využití přímo na farmě.
V Dánsku probíhal vývoj větrných motorů kontinuálně, doslova od větrných mlýnů k větrným elektrárnám. Tím se vývoj lišil od dalších zemí, kde sice byly postaveny ojedinělé a unikátní prototypy, ale opravdovým průmyslovým odvětvím těžícím z vlastní tradice se tento obor nestal.
První větrné elektrárny v Čechách
Dokumenty o první větrné elektrárně na území Československa jsou velmi strohé. Pátrání dospělo (zatím?) k roku 1910. V publikaci dnes už neexistující společnosti Východočeská energetika, a. s., Hradec Králové: „Ing. Jan Černý (25. 4. 1880 – 15. 1. 1935) – zakladatel elektrotechniky ve východních Čechách“ je zmínka o větrné elektrárně, vztahující se k roku 1910: „Vedle vzniku vodních elektráren, např. v roce 1902 v Ústí nad Orlicí a v roce 1905 v Ledči nad Sázavou a Okrouhlici, nelze přehlédnout ani využití větru – na Českomoravské vrchovině, v Lipnici nad Sázavou, vznikla v roce 1910 první větrná elektrárna.“
Další pouze písemná zmínka z publikace „Soupis a lokalizace větrných mlýnů v Čechách“ (Ota Pokorný, 1973) je uvedena informace o větrném mlýnu v obci Tvarožná u Brna: „Nejvíce údajů se zachovalo o větřáku, jehož mohutná budova z kamene se dodnes zachovala na jihozápadním svahu vrchu Santon u Tvarožné. … Původně měl dřevěnou konstrukci a kolo se čtyřmi lopatami. … Mlynář jeho větrné kolo nahradil Halladayovou větrnou turbínou, po skončení první světové války v modernizaci pokračoval a instaloval dynamo s třílistou vrtulí k výrobě elektrické energie. V krátké době pak zděnou budovu přestavěl na třípodlažní objekt a místo větrného motoru zavedl pohon mlecího zařízení benzínovým a později plynovým motorem.“ Z popisu vyplývá, že větrná elektrárna tu byla instalována a provozována kolem roku 1920. Vyobrazení této inovace se nedochovalo; existuje však naopak fotografie objektu bývalého větrného mlýna v Brodku u Konice, vybaveného od roku 1937 rovněž třílistým rotorem, typickým pro současné větrné elektrárny… Svádí to k domněnce, že i v tomto případě mohlo jít o transformaci na větrnou elektrárnu, pravděpodobně tomu tak ale nebylo.
Pohlednice s větrným kolem na hřebeni Krkonoš pod Sněžkou vyvolala pátrání, které potvrdilo, že šlo o větrnou elektrárnu.
Fotografie Slezského domu s objektem větrné elektrárny v pozadí (Foto archiv Slezský dům)
Současný stav – z objektu větrné elektrárny zbyl jen přízemní objekt, nad nímž byl vztyčen příhradový stožár s větrným kolem. (Foto B. Koč)
Prokázaná a dobře dokumentovaná je existence větrné elektrárny na krkonošském Obřím hřebeni, asi 1 km západně od vrcholu Sněžky, avšak jen pár metrů od státní hranice, na polském území, u horského hotelu Slezský dům.
Její existence a historie byla v posledních letech dokumentována objevem starých fotografií i článku v německých novinách. Dodnes se dochoval zděný objekt, na němž byla asi 15 metrů vysoká příhradová konstrukce s 28lopatkovým rotorem vztyčena.
Z dobových fotografií je patrné, že rotor vycházel z konstrukce rotorů tehdy běžných větrných kol, sloužících k pohonu větrných čerpadel (na Moravě vyráběla podobná větrná kola s turbínami typu Eclipse v prvních desetiletích 20. století firma Kunz v Hranicích n. M.). Elektrárna však nepracovala dlouho – větrné kolo nevydrželo v drsných horských podmínkách nápory větru, kombinované vzhledem k termínu havárie možná i námrazou, a v únoru roku 1925 se elektrárna zřítila. Námraza totiž mohla způsobit nerovnováhu rotoru, jeho značné zatížení, nebo „zamrznutím“ znemožnila natočení celého rotoru do bezpečnější parkovací polohy při silném větru. Podle jednoho pramene se sice s možností námrazy počítalo tím, že větrné kolo bylo připojeno k nízkonapěťovému zdroji elektrického proudu, který měl ocelovou konstrukci ohřívat, pochybuji však o účinnosti tohoto řešení v daných podmínkách.
Z celého zařízení se dochoval jen zděný objekt, v němž bylo umístěno dynamo a pravděpodobně i akumulátory jako zdroj elektřiny při bezvětří. Pohon dynama byl řešen svislým hřídelem od kuželového ozubeného převodu na ose rotoru. Porovnání dobových fotografií celého zařízení s objektem, nad nímž byl příhradový stožár s rotorem vztyčen, umožnilo stanovit klíčové rozměry zařízení, především výšku objektu a hlavně průměr rotoru.
Expertiza možného výkonu větrné elektrárny pod Sněžkou od dr. Strakoše (VUT Brno).
V publikaci o historii horské chaty je i fotografie této elektrárny, podle údaje v této publikaci zařízení postavila „specializovaná firma z Drážďan“. V popisu pod snímkem je uveden zavádějící údaj 1000 kW, nejde však o výkon, z textu vyplývá, že jde o měsíční výrobu elektrické energie, takže by správně mělo být uvedeno 1000 kWh.
Ve zdrojích byl uváděn projektovaný výkon tohoto zařízení při rychlosti větru 8–10 m/s: 50–60 koňských sil, tedy 37–44 kW. Z odhadu průměru rotoru však podle dr. Strakoše (VUT Brno) vyplývá, že elektrárna mohla i při excelentních větrných poměrech lokality dodávat 7–10 kW. Lze tedy odvodit i tzv. kapacitní faktor (využití instalované kapacity) na konkrétní lokalitě 10–14 %.
Větrná elektrárna pod Sněžkou sice svým způsobem předběhla dobu, současně však svou konstrukcí, zejména použitím mnohalopatkového rotoru větrného kola, narazila na technické limity mechanické odolnosti takového zařízení, zejména při instalaci v náročných až extrémních horských podmínkách.
V současnosti by instalace jakékoliv větrné elektrárny na této lokalitě narazila na regule národního parku.
Nová éra a zvyšování výkonu
Technologický pokrok v konstrukci větrných elektráren přinesla až 40. léta 20. století. Průměry rotorů větrných elektráren se zvyšovaly, ještě výraznější inovací byla nová konstrukce listů rotoru, využívající aerodynamického principu vzniku jejich otáčivého pohybu. Soustrojí bylo pojmenováno „aeromotoren“. V letech 1940–1944 „soupeřily“ větrné elektrárny se dvěma a se třemi listy rotoru, s průměrem od 17,5 do 24 metrů. V Dánsku bylo v uvedených letech postaveno asi 20 originálních realizací takových větrných elektráren. Dvoulisté rotory pracovaly se 45–90 otáčkami za minutu, třílisté pak s 24–58 otáčkami a dávaly výkony 50–70 kW. Vedle příhradových ocelových stožárů přibývaly věže betonové.
„Kultovní větrnou elektrárnou“ se v uvedeném období stal tzv. Gedserský mlýn, postavený roku 1944 a pojmenovaný podle lokality asi 20 km severně od města Gedser na jižním cípu Dánska. Tato elektrárna na 25 m vysoké betonové věži dosáhla v daném období nejvyšší roční produkce elektrické energie – 135 tis. kWh. Je zajímavé, že tato větrná elektrárna se třikrát dočkala „upgrade“. Roku 1957 byla vybavena novými listy, podruhé byly listy vyměněny za modernější (aerodynamicky navržené americkou NASA) roku 1976. Byla vybavena i novým soustrojím. Výkon elektrárny se tak z původních 50–70 kW zvýšil na 200 kW a elektrárna je na původní věži v provozu dodnes. Původní gondola i listy jsou uchovány v expozici větrných elektráren Dánského muzea energetiky v Bjaerringbro.
Větrná elektrárna u Gedseru (Dánsko), tzv. Gedserský mlýn (Gedsermollens). Na konci jednoho křídla je označen naklápěcí element tzv. stall regulace, sloužící jako brzda systému při překročení bezpečné rychlosti větru (zpravidla nad 20 m/s). (Foto archiv Elmus Bjaerringbro)
Gondola se dvěma listy větrné elektrárny od Gedseru ve venkovní expozici Muzea energetiky (Elmus) v Bjaerringbro (Dánsko). (Foto B. Koč)
Dánsko také může být (asi nedostižným) příkladem uchování, dokumentace a prezentace objektů i artefaktů spojených s historií větrné energetiky v této zemi. Vedle již zmíněného Muzea Poul la Coura v Askově jsou to areál Elmusea (Dánské muzeum energetiky) v Bjaerringbro, i sbírka některých historických větrných elektráren a jejich dílů v hale Nordisk Folkecenter for Vedvarende Energi v obci Hurup Thy na severu Jutského poloostrova. Historie dánské větrné energetiky je také průběžně zpracovávána a publikována v řadě studií i tištěných publikací.
Nejen Dánsko
Větrná elektrárny Smith-Putnam (USA, 1941) jako první překonala výkon 1 MW (Foto archiv)
Kresba větrné elektrárny CAGI-30, postavené před r. 1942. Její natáčení bylo řešeno pojezdem šikmé opěry po kruhové kolejnici. Barevně je vyznačena kolejnice pojezdu pro natáčení gondoly proti větru při provozu elektrárny (upr. repro z knihy Fr. Kašpara – Větrné motory a elektrárny).
Aby nebyla řeč jen o Dánsku, je třeba pro uvedené období do poloviny 20. století zmínit některé unikátní konstrukce a realizace v dalších zemích. Historicky první větrná elektrárna, která dosáhla výkonu 1000 kW (1 MW) byla postavena roku 1941 ve Vermontu (USA). Její konstruktéři Smith a Putnam sestrojili unikátní rotor se dvěma listy, které se při silnějším větru, který by konstrukci mohl ohrozit, začaly automaticky silou větru „deštníkově“ sklápět, čímž se zmenšovala plocha opisovaná rotorem a snižoval se tlak větru na rotor. Tento způsob omezení zátěže rotoru při hraniční rychlosti větru však pracoval do roku 1945, kdy rotor havaroval.
Začátkem 40. let probíhal vývoj větrných elektráren i v tehdejším SSSR. Na Krymu byla postavena větrná elektrárna CAGI D-30 s průměrem 3listého rotoru 30 m a výkonem 100 kW. Gondola byla uložena otočně na 23 m vysokém příhradovém stožáru a její natáčení bylo řešeno podobně, jako u historických větrných mlýnů sloupového typu. Šikmá příhradová „opora“ gondoly vybavená u země pojezdem spočívala na kruhové kolejnici, po níž se mohla pohybovat tak, aby byl rotor směrován proti větru. Elektrárna byla roku 1942 zničena fašisty. Informace o této elektrárně byly publikovány v SSSR v publikaci z roku 1948 s tím, že tato elektrárna „neměla sobě rovných v SSSR ani za hranicemi“. V téže publikaci je přitom o pouhých 14 stránek dál popis americké elektrárny z Vermontu s výkonem více než 3× větším.
Ani v USA, ani v SSSR však experimenty nevedly k reálnému rozšíření větrných elektráren ani k jejich výrobě. V období po II. světové válce využíval svět levných energetických surovin, země byly plně elektrifikované a větrná zařízení s výkony ve stovkách kW nebyla potřebná a konkurenceschopná. Větrné elektrárny v té době ještě pracovaly v tzv. „ostrovním provozu“ pro potřebu samostatné lokality a nebyly přizpůsobené k připojení do sítě, kam by elektřinu dodávaly. I v Dánsku vývoj na krátké období ustrnul.
The article guides us through wind turbines history from first experiments over new rotor designs and power enlargements to first wind turbines in the Czech republic, in the USA, Denmark and other "pioneer instalations" in Europeans countries.