Větrné elektrárny V. – Malé větrné elektrárny v ČR
Wind turbines history - small wind turbines in the Czech Republic
Páté pokračování seriálu o větrných elektrárnách je věnováno malým větrným elektrárnám (MVtE) v ČR. Seznamuje s hlavními technologiemi u MVtE, popisuje rozvoj tohoto sektoru v ČR a nakonec přibližuje příběhy dvou instalací.
Od megawattů zpět k wattům
Mezi r. 1988–1995 bylo na území ČR postaveno na 15 lokalitách 25 větrných elektráren s celkovým instalovaným výkonem 8375 kW. Od roku 1996 však došlo k útlumu a další větrná elektrárna byla postavena až v prosinci roku 2001 a připojena k síti začátkem roku 2002. Svět tehdy dospěl k výrobě větrných elektráren s výkony nad 1 MW, v ČR však zbyl v uvedeném šestiletém období „zimního spánku“ výkonově (i investičně) jen omezený prostor pro malé větrné elektrárny. Zajímali se o ně ti, kdo se domnívali, že právě svůj objekt mají na „větrné hůrce“ a že by mohli živlu, který jim zatím častěji život znepříjemňuje, výhodně využít.
„Vývoj“ instalací v ČR tedy zamířil od stovek kilowattů zpět k wattům. Přesto je škoda, že toto téma zatím není z historického ani konstrukčního a provozního pohledu v Česku alespoň částečně zpracováno, třebaže by mohlo být předmětem zájmu a námětem sbírky některého z technických muzeí. Zatím asi ani jedno z nich u nás nemá ve svých sbírkách žádnou autentickou malou větrnou elektrárnu jakékoliv velikosti. Následující odstavce budou tedy nástinem historie a konkrétních případů konstrukcí, používání, vývoje i výroby MVtE na území Česka. (V několika případech už byly historicky zajímavé malé větrné elektrárny v tomto seriálu zmíněny, viz III. díl seriálu.)
Malé větrné elektrárny
Výkony malých větrných elektráren (MVtE), vhodných především pro tzv. „ostrovní provoz“, tedy k využívání vyrobené elektrické energie přímo v místě instalace elektrárny bez jejich připojení k veřejné síti, se pohybovaly od stovek wattů. Někdy se používá dělení větrných elektráren podle výkonu na malé, střední a velké, přičemž hranice mezi nimi jsou v různých publikacích a v různé době odlišné, malé např. do 10 (30) kW, střední do 100 (450) kW velké nad tuto hranici. Ani GWEC (Světová asociace VE) nemá jednoznačná měřítka, i když standard IEC charakterizuje malé VtE plochou, opisovanou rotorem 200 m2, což by odpovídalo výkonu do 50 kW při napětí 1000 V AC nebo 1500 V DC. Není jasné, proč je součástí této charakteristiky i hodnota výstupního napětí. Kategorie „malých“ větrných elektráren je však z hlediska konstrukce i možného využití i tak příliš široká, takže je vhodnější uvažovat i o kategorii „mikro“, jejíž horní hranicí by mohl být výkon v jednotkách kW při napětí stejnosměrného proudu 12–24 V. Zařízení s výkonem 10–50 kW by už bylo možné připojovat k síti, vyžádalo by si to ale složitější regulaci a přizpůsobení požadavkům sítě, což by znamenalo i výrazně vyšší náklady na jejich vybavení. Také poměr výkon/cena nebývá u těchto elektráren příznivý.
Zatímco u velkých větrných elektráren naprosto převládají stroje s horizontální osou rotoru, tvořeného převážně třemi (zřídka dvěma) aerodynamicky tvarovanými listy, bylo u MVtE vedle tohoto klasického uspořádání v silně zmenšené podobě využíváno i dalších typů větrných motorů se svislou osou rotoru. Historický pohled je zde tedy vhodné doplnit i krátkým popisem těchto konstrukcí. Jejich společným znakem je vertikální (svislá) osa rotoru a její přímé spojení s generátorem.
Základní typy technologií malých větrných elektráren
Větrné elektrárny Savonius mají rotor, tvořený dvěma přesazenými válcovými plochami, tedy vypuklou a vydutou plochou na společné svislé ose. Otáčivý pohyb je vyvolán pouze rozdílem tlaku proudícího vzduchu (větru) na vypuklou a vydutou plochu (obr. 01). Protiváhou této velmi jednoduché konstrukce rotoru je jeho malá účinnost. Z rozvojových zemí jsou známé takové rotory vyrobené ze dvou polovin podélně rozpůleného barelu, připevněných jednou hranou ke společné svislé ose tak, že svým půdorysem tvoří podobu písmene S – což je snad nejnázornější, i když nepříliš technicky čisté znázornění podoby rotoru. Modernější konstrukce těchto rotorů využívají laminátů a jejich účinné plochy jsou občas spirálovitě stočeny. Problémem rotorů typu Savonius je také jejich menší konstrukční odolnost a větší riziko destrukce silným větrem nebo vichřicí.
Rotory typu Darrieus už více využívají vztlakového principu. Jejich účinné plochy mají podobu aerodynamicky tvarovaných štíhlých lišt (obr. 02), uspořádaných kolem osy rotoru na jednoduchých úchytech (konzolách, obručích), případně lukovitě prohnutých a přímo uchycených na obou koncích k horizontálně uložené ose, což lze přirovnat k hnětacímu elementu kuchyňského robota.
Oba zmíněné typy rotorů se svislou osou mají nezanedbatelnou výhodu v tom, že nepotřebují ke svému chodu směrové natáčení proti větru, pracují ve stálé poloze při jakémkoliv i proměnlivém směru větru. Jejich účinnost, daná Betzovým součinitelem výkonu, je však v porovnání s klasickou podobou větrných elektráren (horizontální osa, rotor se třemi listy) výrazně nižší. Tzv. Betzova teoretická účinnost větrného motoru, udávaná jako maximální teoretická hodnota součinitele výkonu, je 0,593. Klasický třílistý rotor pracující na vztlakovém principu může dosáhnout hodnoty 0,48, pětilistý rotor 0,44, rotor typu Darrieus 0,38, pro rotor Savonius platí hodnota pouze 0,21.
Občas se konstruktéři oba popsané typy rotorů snažili a snaží různě sestavit do jednoho systému na společnou osu (obr. 03), což však více či méně vedlo ke sčítání nevýhod než výhod obou principů. Savoniův rotor reaguje na nižší rychlosti větru, má tedy rychlejší rozběh při menší rychlosti větru. Pak se ale rotor Savonius v určitém okamžiku stává brzdou účinnějšího rotoru Darrieus.
Obr. 01 Rotor typu Savonius (foto B. Koč)
Obr. 02 Rotor typu Darrieus (foto B. Koč)
Obr. 03 Kombinace rotoru Savonius s rotorem Darrieus – záběr z areálu konstrukční kanceláře VMK v Ústí nad Orlicí. (Foto: VMK)
Vybrané projekty z historie
Je logické, že z dnešního pohledu „malé“ a „mikro“ větrné elektrárny byly před 80 roky konstrukčně i výkonově maximálně možným produktem doby, současně však jediným možným řešením potřeby elektřiny v odlehlých oblastech a zejména tam, kde by zásobování palivem pro jiné možné způsoby výroby elektrické energie bylo náročné až nemožné. Typickým příkladem jsou polární oblasti, především v souvislosti s objevitelskými expedicemi v Arktidě. Prehistorií a bezesporu prvním využitím větrné elektrárny v Arktidě byla instalace větrné elektrárny na palubě lodě Fram při slavné Nansenově expedici v letech 1893–96 (viz 1. díl seriálu Větrné elektrárny I. – Historie do roku 1975).
Obr. 04 Malá větrná elektrárna (na snímku vlevo) na základně Papaninců na driftující ledové kře (1937, foto archiv)
Také Nansenův následník, Roald Amundsen, rovněž vybavil svou loď Maud pro expedici v letech 1922–25 větrnou elektrárnou. V knize „Amundsen – poslední viking“ autoři píší: „… Olonkin uvedl do chodu novou vysílačku, kterou si v Seattlu přinesl na palubu, tím, že použil starého dobrého větrného mlýna.“
A do třetice – také „čtyři soudruzi Papaninci“ měli svůj tábor na plovoucí ledové kře při driftu Severním ledovým oceánem roku 1937 vybaven malou větrnou elektrárnou (obr. 04).
Kusová výroba, malé série…
Vraťme se do Česka. V oboru malých (příp. středních) větrných elektráren lze zaznamenat (pomineme-li nejmenší ryze kutilské a neopakovatelné produkty) od roku 1990 několik případů jejich vývoje a výroby v České republice. Většinou však šlo o kusovou výrobu funkčních prototypů, méně často o výrobu malých sérií, které našly uplatnění především v exportu do ciziny. V některých případech šly na trh i elektrárny, které pak výrazně nenaplnily očekávání uživatelů, ať už pro konstrukční nedostatky, nebo z důvodu malé informovanosti zákazníků o jejich výkonových možnostech. Společnosti, které malé větrné elektrárny vyvíjely a vyráběly, měnily často své názvy i působiště, takže vystopovat – byť jen s odstupem maximálně dvou desetiletí – historii tohoto segmentu oboru větrných elektráren je velmi obtížné a autor si v tomto případě zdaleka nemůže činit ambice na kompletnost údajů. Mozaika českého vývoje, pokusů, omylů, instalací i provozu malých (až středních) větrných elektráren je uvedena chronologicky. Jednotlivé konstrukce či typy jsou velmi variabilní, technicky více či méně dokonalé a designově různorodé. Cenné by však mohlo být uchování konstrukce a technických parametrů těchto elektráren, ať už v podobě „papírové“ dokumentace nebo reálných artefaktů. Bohužel však většina popsaných elektráren již fyzicky neexistuje, a u některých instalací již nejsou dostupné ani jejich fotografie.
Obr. 05 Malá větrná elektrárna MEZ Mohelnice VE-200 (foto archiv)
Před rokem 1990 probíhal vývoj MVtE v Brně (VÚ elektrických strojů točivých) a v MEZ Mohelnice. Zajímavostí projektu v Brně byl způsob zkoušení prototypu malé větrné elektrárny. Byla instalována na zkušebním prototypu dodávkového elektromobilu EMA 2, postaveného na bázi malé dodávky Barkas z NDR. Brnem a jeho okolím jezdil pozoruhodný „hybrid“. Vypadalo to jako pokus o perpetum mobile. Možnost konstantní rychlosti jízdy byla zdrojem potřebné a konstantní rychlosti „větru“ pro rotor zkoušené větrné elektrárničky. Větrná elektrárna z MEZ Mohelnice VE-200 s výkonem 200 W (obr. 05) byla již zmíněna ve III. dílu seriálu. Tehdejší Závody silnoproudé elektrotechniky měly rozpracovány i projekty 500 a 1000 W, k jejich realizaci však nedošlo.
Obr. 06 Malá větrná elektrárna AeroCraft Olešnice (repro prospekt)
Po roce 1991 se rozběhla výroba MVtE ve firmě Agroplast Liberec, divize v. e. AeroCraft Olešnice, kde vznikaly MVtE s výkony 300 kW (obr. 06) s dvoulistým a 1,2 kW s třílistým rotorem. Kolem roku 1995 byla nabízena výkonová řada AC 120, 240, 500, 750 W (pro napětí 12/24 V s akumulací v klasických akumulátorech) s výkony 1,2 až 5 kW a s napětím sítě pro odporový ohřev vody. Později byly tyto elektrárny vyráběny pod značkou AVE Moravia (pro vývoz do Německa jako Aerocraft). V Německu byl jejich odbyt podporován dotací až na 50 % pořizovací ceny. Některé z firem také dodávaly samostatné listy rotorů, nebo generátory pro finalizaci u jiných výrobců v zahraničí.
Obr. 07 Malá větrná elektrárna AVEE Hranice 11 kW na lokalitě u Bystřice pod Hostýnem (foto B. Koč)
Kolem roku 1995 byly zaznamenány pokusy o výrobu větrných elektráren s výkony 10 a více kW ve firmách Bohemia Elec., Boršov-Vráble (větrná elektrárna BESE 10 kW, jejíž prototyp s dvoulistým rotorem byl instalován u obce Vrábče na Českobudějovicku), AVEE s. r. o. Hranice (obr. 07) přišla s prototypem VE 0811 s výkonem 11 kW, která byla nabízena za 320 tis. Kč. Její projekt VE 1022 s výkonem 22 kW už se realizace nedočkal. S prototypem OLKA 40 přišla i firma OLKA Bruntál (48,5 kW, cena 1,15–1,45 mil. Kč). Roku 1997 nabízela společnost EKO/TEP malé větrné elektrárny pro ohřev vody EKO 3000 s výkonem 3 kW (při rychlosti větru 8 m/s) a průměrem rotoru 4,6 m za 325 tis. Kč a EKO 5000 (5 kW při větru 9,5 m/s), s průměrem rotoru 5,4 m za 350 tis. Kč. Elektrárna EKO 3000 byla zkoušena v rámci projektu využívání obnovitelných zdrojů energie v obcích Žižice, Osluchov a Luníkov nedaleko Slaného.
Na společnost AVE Moravia navázala roku 1997 firma MORAVIA Letovice (dříve Agroplast) větrnou elektrárnou GEST 1,5 kW – s průměrem rotoru 3,2 m, 24 V, při 9 m/s 1 kW, 24 V. Tato elektrárna měla i možnost doplnění akumulátorem a měničem na 220 V / 50 Hz. Větší elektrárnou byl typ GEST 2,5 kW – prům. 4,2 m, 220 V.
Obr. 08 Malá větrná elektrárna Windtower 7 kW (foto B. Koč)
Obr. 09 Projekt větrné elektrárny ROSWELL s plánovaným výkonem 15 kW a diskutabilním systémem rotoru s klapkami na vertikální ose dospěl jen do stadia rozpracovaného stožáru. Přesto byl oceněn jako „Výrobek roku 2006“… (repro archiv)
V Brně v areálu BVV představila roku 1999 firma WINDTOWER (obr. 08) MVtE s výkonem 7 kW. V nabídce měla po roku 2000 i stroj s výkonem 35–50 kW, firma však roku 2004 skončila činnost a její 7 kW elektrárny jsou nabízeny už jen jako použité v internetových bazarech.
Další brněnská firma TAAWIN představila MVtE Taawin Turbo 3,5 s výkonem 3,5 kW. Výrobce pak přišel s unikátními (nebo spíš kuriózními a diskutabilními) projekty. Model ROSWELL měl mít na stožáru rotor s tvarem talíře v podobě UFO (obr. 09), se svisle uloženou osou. Rotor byl sestaven ze systému klapek otevírajících se při otáčení v poloze proti větru a v poloze opačné se samočinně zavírajících. Výrobce za toto řešení dokonce dostal roku 2006 ocenění „Výrobek roku“, mezi odborníky se však samotný princip rotoru s mechanicky náročnými pohyblivými částmi moc uznání nedočkal. Přes veškerou snahu vynálezce se nepodařilo realizovat ani prototyp. Nereálný a v tomto případě i zákonům fyziky zcela odporující výkon 15 kW mohlo zařízení podle názoru vynálezce dosáhnout při vysoce nadprůměrné rychlosti větru 15 m/s, při větru 6 m/s však byl uváděný výkon jen 3,5 kW, to vše při inzerované ceně stroje 1,99 mil. Kč. Na papíře a v podobě internetové nabídky (spíš poptávky po investorovi) skončil osud druhého projektu této firmy – dvourotorové elektrárny s rotory na jedné ose a protilehlých koncích gondoly, s uvažovaným výkonem 20–25 kW; dva rotory v několikametrovém odstupu by byly silně ovlivněny vzájemnými turbulencemi, což projekt asi nebral v úvahu. Informace o použití kevlaru na listy i gondolu svědčily spíš pro bezbřehou snahu „jít s dobou“ a také o nekritickém nadšení vynálezce. Slepé uličky ale patří k vývoji v každém oboru lidské činnosti.
Prototyp elektrárny BW-15 (obr. 10) postavila roku 2001 u Nové Lhotice na Chrudimsku firma BW-stavitelství z Chrudimi na základech původně určených pro prototyp MVtE AVEE 22 kW, který však hranickou firmou nebyl vyroben. Výkonu 15 kW měla elektrárna BW-15 s rotorem průměru 8,5 m dosáhnout při rychlosti větru 12,5 m/s. Uvažovaná cena produktu byla 500 tis. Kč, ale k další výrobě nedošlo.
Firma MORAVIA wind systém představila roku 2001 řadu elektráren, nejvýkonnější ML s výkonem 10 kW, určené především pro výrobu elektřiny pro ohřev vody. Výrobní program doplňovaly menší elektrárny s výkony 300, 1500 (pro napětí 12/24 V) a 3000 W (230 V).
Obr. 10 Montáž gondoly větrné elektrárny BW-15 u Nové Lhotice na Chrudimsku (foto B. Koč)
Obr. 11 Malá větrná elektrárna s rotorem Savonius konstruktéra Poleacova (foto archiv)
Obr. 12
Obr. 13
Instalace tří malých větrných elektráren konstruktéra Poleacova u penzionu vedle železniční stanice Kutná Hora – hlavní nádraží na společném rámu, v zastínění štítovou stěnou penzionu. Detail rotoru s designem motýlích křídel (foto B. Koč)
V srpnu roku 2002 byla na zkušební základně ÚFA AV ČR na Nové Louce v Krušných Horách instalovaná unikátní MVtE využívající rotoru typu Savonius, modifikovaného do šroubovité podoby, od moldavského konstruktéra M. Poleacova (obr. 11). Po necelých dvou týdnech se potvrdila malá odolnost tohoto typu rotoru při silném větru. Náraz větru s rychlostí 21,7 m/s celý 140 cm vysoký rotor s průměrem 48 cm zničil a rozmetal po okolí. Hned tři MVtE tohoto typu jsou od roku 2009 instalovány společném rámu u penzionu vedle železniční stanice Kutná Hora – hlavní nádraží (obr. 12, 13). Mají i zajímavé využití: nabíjí akumulátory pro malou zahradní železnici na zahradě penzionu. Rotory jsou však nevhodně umístěny poměrně nízko nad zemí a v blízkosti štítové stěny penzionu, takže je systém nutné přiživovat ze sítě. Zaujme jejich „biodesign“ inspirovaný kresbou motýlích křídel.
Za naprosto unikátní ve světě malých větrných elektráren je možné považovat jejich připojení k rotoru v podobě Halladayovy turbíny. Tento rotor byl vrcholem v konstrukci historických rotorů větrných mlýnů. Jeden byl u nás se zcela funkční regulací rekonstruován na větrném mlýně v Ruprechtově. Je to pravděpodobně jediný rotor tohoto typu na původním objektu v Evropě. Je zajímavé, že v blízkém okolí jsou dokumentovány dnes už nedochované turbíny tohoto typu v obcích Sivice a Tvarožná a další byla např. v Miroslavi u Znojma. A ještě zajímavější je, že nikde jinde v Evropě není taková turbína nejen dochována, ale ani dokumentována. A právě Halladayovy turbíny jsou u nás unikátním hnacím elementem malých větrných elektráren.
Obr. 14
Obr. 15
Halladayovy turbíny u Znojma a u Olomouce – složí jako poutače a současně i pro pohon malých větrných elektráren s výkonem 5–6 kW (foto B. Koč)
Především jako poutač byla replika Halladayovy turbíny postavena u čerpací stanice na okraji Znojma (obr. 14, 15) roku 2002 firmou ČAS, a. s. Rotor byl doplněn generátorem s výkonem 6 kW a proud byl používán k ohřevu vody pro čerpací stanici. Na zařízení je dobře patrný systém radiálně umístěných sekcí žaluzií rotoru a jejich regulace. Další replika této turbíny byla na Moravě instalována jako poutač nákupního areálu u Olomouce. I tato turbína byla rovněž dodatečně doplněna generátorem s výkonem 5 kW.
Kde se u nás vzaly Halladayovy turbíny?
Obr. 16
Obr. 17
Větrný mlýn v Ruprechtově s unikátní Halladayovou turbínou a detail turbíny na modelu větrného mlýna z parku miniatur Boheminium v Mariánských Lázních. Na modelu jsou patrné samostatně uložené sekce žaluzíí, naklápěné centrálně do optimální polohy (foto B. Koč)
Kde se ale u nás princip Halladayovy turbíny, vynalezené v Americe, vzal? Historici spekulují, že myšlenku mohl na Moravu přivézt původní majitel větrného mlýna v Ruprechtově (obr. 16, 17), který nějakou dobu v Americe pobýval. Trochu jiný výklad nabízí zprávička z „Národních listů“, otištěná v Praze 11. září 1877, referující o příběhu z výstavy v Praze:
„Větrný motor Halladayův na výstavišti, který mimo firmu Freidlander a Frank vystavovala také zdejší firma Umrath a spol., byl příčinou bouřlivé scény na místě výstavním. Prvnější závod zastupuje amerikánskou továrnu v Rakousku výhradně. Umrath a spol. však zaopatřili si nějakým způsobem a vystavil ho též. Červenobíle natřená kola otáčela se vesele ve výši, když tu pan Freidlander s úřadními zřízenci dostaví se a káže p. Umrathovi, aby motor ihned odstranil. Pan Umrath se vzpírá. Tu právě když u vchodu výstaviště zazní při slavnostním zahájení výstavy hymna rakouská, vystoupí p. Friedlaner po žebříku k osudnému kolu a několika mohutnými ranami kladivem uráží – a to vším právem – část stroje, takže tento ihned se zastavil.“
Takže i dochovaná a náhodně objevená typicky bulvární skoro 140 let stará zprávička může být pramenem poznání historie větrných motorů.
Obr. 18
Obr. 19
Stavba malého mlýnku v areálu ekofarmy Lunária v Jindřichovicích pod Smrkem. Původní turbína ze severní Moravy slouží nejen k pohonu mlýnských kamenů, ale alternativně i k pohonu alternátoru k výrobě elektrické energie. Alternátor je na snímku označen šipkou (foto B. Koč)
Potvrzením, že český nadšenec, kutil či idealista (někdy to vše dohromady) nevymřel, je příklad stavbičky malého větrného mlýnku s turbínou v areálu ekologické farmy Lunaria v Jindřichovicích pod Smrkem (obr. 18, 19). Rotor (turbina typu Elipse) se 16 listy, převodem a svislou hřídelí byl získán z bývalého malého faremního mlýnku ze severní Moravy, stavbička z nepálených cihel je podle vlastního návrhu a vnitřní vybavení bylo vyrobeno a sestaveno podle soustrojí větrných mlýnů. Primárně slouží jako funkční větrný mlýnek, má však zakomponovanou možnost pohonu alternátoru z osobního auta pro nabíjení klasického olověného akumulátoru, proto musel být do systému zařazen i usměrňovač.
Obr. 20 Pan Karel Bubeník u své větrné elektrárny s výkonem 37 kW ve Zvánovicích nedaleko Říčan (foto B. Koč)
Pro historii by neměl být zapomenut příklad větrné elektrárny, kterou postavil vlastními silami pan Karel Bubeník u Zvánovic východně od Prahy (obr. 20). Na příhradovém stožáru postavil větrnou elektrárnu s výkonem 37 kW. Její konstruktér, stavitel a provozovatel má od roku 2002 licenci na dodávku elektrické energie z obnovitelného zdroje do sítě.
Obr. 21 Větrná elektrárna CH 45 konstruktéra Aloise Chalupy u benzinové čerpací stanice v Chrašticích na Příbramsku. Je patrný netradiční tvar listů rotoru, pracujícího na tlakovém principu, což současně omezovalo jejich velikost; větší plocha by vedla k jejich poškození a destrukci při silnějším větru, k čemuž stejně na obou lokalitách (Chraštice, Velké Meziříčí) došlo (foto B. Koč)
Prototypy větrné elektrárny CH 45 konstruktéra Aloise Chalupy z Boskovic byly kolem roku 2000 postaveny u čerpací stanice v obci Chraštice na Příbramsku (obr. 21), druhý u Velkého Meziříčí, vedle dálnice D1. Konstruktér volil poněkud neobvyklý tvar a profil listů, které pracovaly spíš s tlakem proudícího vzduchu než s aerodynamickým vztlakem na listech. To bylo pravděpodobně i příčinou destrukce listů větrné elektrárny u Velkého Meziříčí. Elektrárna u Chraštic havarovala kvůli špatným svarům stožáru, pravděpodobně v součinnosti se zatížením vyvolaným relativně velkou plochou aerodynamicky pochybného profilu listů.
V historickém přehledu nelze pominout ani další aktivity Strojíren Bohdalice na Vyškovsku. Roku 2004 zde byla vyvinuta větrná elektrárna typu SBH 20 s výkonem 20 kW, s podporou vývoje z MPO. Průměr rotoru byl 13 m, nominálního výkonu mělo být dosaženo při rychlosti větru 10 m/s (obr. 22, 23). Stroj se však potýkal s problémy software. Navíc byl ověřovací prototyp postaven jen několik metrů od haly strojíren, jejíž střechu převyšoval jen o několik metrů, což mohlo nevyzpytatelně a nahodile ovlivňovat proudění vzduchu a způsobovat turbulence, které mohly negativně chod zařízení i ovlivňovat výsledky zkoušek.
Obr. 22
Obr. 23
Montáž strojovny a rotoru větrné elektrárny SBH 20 ve Strojírnách Bohdalice na Vyškovsku (foto B. Koč)
Obr. 24 Větrná elektrárna s výkonem kolem 20 kW v areálu VZLÚ v Praze-Letňanech, nyní dlouhodobě mimo provoz (foto B. Koč)
Obr. 25 Malá větrná elektrárna Konstrukční kanceláře VMK-CZ v Ústí nad Orlicí s kombinovaným rotorem Savonius + Darrieus při zkouškách před předáním projektu zákaznímovi v SRN. (Foto: VMK)
Prototyp větrné elektrárny s výkonem kolem 20 kW postavili v rámci výzkumného programu také ve Výzkumném zkušebním leteckém ústavu v Praze-Letňanech (obr. 24). V areálu ústavu stojí nečinně dodnes. V Ústí nad Orlicí byla pro německého zákazníka zkonstruována a v prototypu vyrobena malá větrná elektrárna s rotorem kombinujícícm principy Savonius pro vnitřní a Darrieus pro vnější rotor (obr. 25). Průměr vnějšího rotoru činil 2,4 m, výška sestavy rotoru 2,5 m, jmenovitý výkon 0,9 kW při rychlosti větru 12 m/s a maximum při 15 m/s až 1,5 kW. Vnitřní rotor zajišťoval rozjezd, při dosažení 60 ot./min převzal reálný výkon vnější rotor Darrieus. Pro konstrukční kancelář VMK-CZ to byla samostatná zakázka, další práce v oboru větrných elektráren nepokračovaly.
Obr. 26 Montáž malé větrné elektrárny AERPLAST na české antarktické základně na ostrově Jamese Rosse při „oživování“ každoročně dočasně obývané stanice v období antarktického léta. Větrné elektrárny jsou po zbývající část roku částečně rozložené uloženy v kontejnerech. (foto Pavel Kapler, Masarykova Univerzita)
Obr. 27 Hybridní systém pro napájení osvětlení areálu VŠB-TUO v Ostravě využívá jako zdroje energie malou větrnou elektrárnu, vyvinutou univerzitním Výzkumným energetickým centrem, kombinaci s fotovoltaickým panelem a s akumulátory (foto B. Koč)
V současnosti vykazuje největší aktivity mezi našimi výrobci MVtE společnost AERPLAST působící v Letovicích na Blanensku. V nabídce má výkonovou řadu od 300 W do 22 kW: typy AP 300, AP 400 a AP 1200 pracují s napětím 12/24 a 48 V, výkonnější typy AP 2500, AP 7, AP 13 a AP 22 dodávají elektřinu s napětím a kmitočtem sítě. Za zmínku v této souvislosti stojí to, že na naší základně v Antarktidě procházejí už několik let zkouškou ohněm, v tomto případě spíš zimou a vichry, právě malé větrné elektrárny AERPLAST (8 × typ AP 2500, 2 × AP 300) (obr. 26). Tento výrobce také doplnil poutač s Halladayovou turbínou u Olomouce generátorem s výkonem 5 kW. V současné době je firma AERPLAST v ČR jediná, která reálně nabízí výkonovou řadu malých až středních větrných elektráren s možností volby stožárů různých výšek a konstrukcí. Větrné elektrárny může výrobce dodávat i s fotovoltaikou a integrovat je do nabídky uceleného systému ostrovního provozu.
Vývoj zejména hybridních aplikací větrných elektráren v kombinaci s fotovoltaickým zdrojem probíhá v současnosti především ve Výzkumném energetickém centru na půdě VŠB – TU Ostrava. Inženýr Stanislav Mišák pracuje na technických i ekonomických analýzách provozu hybridních zdrojů elektrické energie, především kombinací MVtE a fotovoltaiky, podal však již přihlášky patentů inovativních řešení pro MVtE. Pro menší výkony vyvinul malé větrné elektrárny s rotorem typu Darrieus. Centrum testuje i malé větrné elektrárny jiných výrobců a provozuje hybridní systém (obr. 27) osvětlení areálu VŠB (MVtE + fotovoltaika + akumulace). Na větrných elektrárnách vyšší výkonové kategorie (v řádu stovek kW) provádí další měření a studie provozu těchto zařízení, např. na lokalitě poblíž Potštátu na severní Moravě.
Obr. 28 Na přelomu r. 2015/16 byla v Antarktidě na české základně ověřována i větrná elektrárna SIMETI; na snímku je patrné porovnání její velikosti s další malou větrnou elektrárnou klasické koncepce AERPLAST. (foto Pavel Kapler, Masarykova Univerzita)
Obr. 29 „Energetický kontejner“ v provedení pro potřeby armády s větrnými elektrárnami SIMETI
Aktuální novinkou oboru je v Česku malá větrná elektrárna vyvíjená a testovaná společností SIMETI v Praze. Cílem bylo postavit jednoduchou větrnou elektrárnu, kterou by bylo možné instalovat bez použití jeřábové techniky a s možností její mobility – ať už v částečně rozloženém stavu v standardním kontejneru 2,4 × 2,4 × 6 m nebo pouze sklopenou na jednoosém přívěsném vozíku. Výsledkem je zařízení s vertikální osou se třemi plochými listy s rozměrem 1,2 × 2 m (obr. 28). Na jedné ose je rotor spojen s nízkootáčkovým generátorem. Ten může při rychlosti větru 12 m/s a 120 ot./min dodávat podle údajů konstruktéra až 5 kW elektrického výkonu s napětím 24 / 48 V. Zařízení využívá tlakového principu vzniku rotačního pohybu. Na rozdíl od klasického rotoru typu Savonius jsou však účinné plochy z pevného, ale pružného plastu rovinné, jsou však unikátním způsobem natáčeny tak, aby byla jedna plocha v účinné poloze nasměrována kolmo proti větru. Dvě další plochy jsou během rotace natáčeny do neúčinné polohy. Natáčení je odvozeno od směrového kormidla („korouhvičky“), které je součástí konstrukce vertikálního rotoru.
Zařízení bylo aplikováno např. do sestavy „energetického kontejneru“ s využitím v polních podmínkách a bylo poprvé představeno při specializovaném veletrhu obranné techniky ISDEF v červnu 2015 v Izraeli a v září roku 2015 i při Dnech NATO v Ostravě (obr. 29). Jedna elektrárna tohoto typu byla na přelomu let 2015/16 testována na české antarktické základně na ostrově Jamese Rosse a provozní zkušenosti ve velmi drsných klimatických i větrných podmínkách budou promítnuty do dalšího vývoje zařízení. Elektrárna může být instalována na teleskopickém nebo sklopném stožáru bez nutnosti budování základů pouhým ukotvením ke kontejneru, v němž může být celá sestava elektrárny v částečně rozloženém stavu přepravována. Součástí celého systému jsou i fotovoltaické panely, diesel agregát, akumulátory a řídící jednotka. Výrobce vidí možnost použití například pro napájení telekomunikačních zařízení na lokalitách, vzdálenějších od sítí nebo jako náhradní zdroj pro oblasti postižené např. povodněmi a podobně.
Rohlenka a monoptera – příběhy českých konstrukcí
Obr. 30 Ing. Ladislav Strakoš při přednášce o možnostech akumulace energie z větných elektráren prostřednictvím stlačeného vzduchu v Litvínově, kolem r. 2000 (foto B. Koč)
Každý obor má své osobnosti. Obor větrné energetiky v České republice není výjimkou. Do historie oboru se u nás zapsal plk. doc. Ing. Ladislava Strakoš, CSc., (obr. 30) z Brna (1930–2009). Pro specialisty oboru je nezapomenutelná jeho přednáška na shromáždění České společnosti pro větrnou energii v Litvínově roku 2002 o akumulaci energie z větrných elektráren prostřednictvím stlačeného vzduchu, akumulovaného pod Krušnými horami ve vytěžených prostorech rudných, převážně uranových dolů. Z ní je i fotografie doc. Strakoše. Stlačeného vzduchu by pak využívaly spalovací mikroturbíny, vyráběné tehdy v Brně, čímž by bylo možné z jejich sestavy vyřadit běžnou součást každé turbíny – turbokompresor, dodávající do spalovacího prostoru nezbytný dostatek vzduchu, přičemž sám o sobě právě kompresor spotřebovává až 40 % energetického výkonu spalovacího procesu. Mikroturbíny by pak ve spojení s elektrickým generátorem pracovaly s jinak nedosažitelnou účinností. Doc. Strakoš kalkuloval s jejich nasazováním v době špičkové spotřeby elektrické energie, což by přinášelo i její výhodnější cenu a „větrníkům“ by to mohlo přinést jistou nezávislost na odběru elektřiny do sítě za stanovené ceny. O osobnosti a výjimečných nápadech doc. Strakoše svědčí i dva další příklady jeho „větrných“ konstrukcí. Prvním je jeho vlastnoruční výroba malé větrné elektrárny pro motorest Rohlenka u dálničního motorestu na D1 u Brna, druhým unikátní řešení návrhu mobilní větrné elektrárny na podvozku Tatra.
Větrná elektrárna u motorestu Rohlenka
aneb
Jak jsem se nestal výrobcem větrných elektráren pro střední Asii a Indii
(Vzpomínky ing. Ladislava Strakoše, autorizováno 2005)
„Roku 1987 mne kontaktoval ing. arch. Houf, který měl postavit motorest Rohlenka na dálnici z Brna do Olomouce. Pro zdáli viditelný poutač navrhl „polyfunkční“ – tedy alespoň se otáčející – repliku starého větrného kola. Nenašel ale nikoho, kdo by mu takové kolo dokázal navrhnout a postavit. Tehdy jsem pracoval ve Výzkumném ústavu elektrických strojů točivých (VÚES) v Brně, který kromě jiného tehdy vyrobil a zkoušel malou větrnou elektrárnu (250 W a 500 W). Na vývoji a zkouškách jsem se tehdy podílel.
Rozhodl jsem se, že větrné kolo pro Rohlenku postavím. Protože šlo o poutač, a tudíž výtvarné a umělecké dílo, bylo třeba, aby byl návrh objektu schválen příslušnou komisí tehdejšího Československého svazu výtvarných umělců. Musel jsem vyrobit model v měřítku a v předepsaných barvách a obhájit ho před výtvarnou komisí. Objekt byl schválen a tak jsem se stal dočasně výtvarným umělcem, který měl toto dílo sám i vytvořit. Problémem byly peníze. Potřebný „kapitál“ jsem si půjčil od matky a mohl jsem nakoupit potřebný materiál. Některé části jsem získal ze šrotu – lana a veliké napínáky pro zavětrování stožáru. S výrobou mi tehdy pomáhali mí mladší kolegové, inženýři Grula, Fiala a také syn. S konstrukcí mi pomáhal i inženýr Kilián a jeho syn, který si v té době postavil v Brně-Bosonohách větrnou elektrárnu se svislou osou rotoru, první toho druhu v ČSR. Zůstal mu nadbytečný stožár, který jsem od něj koupil a nádavkem získal i jeho know-how při dokončování mého „uměleckého díla“. Doma v garáži jsem na tom trávil po večerech dva roky. Vložené peníze se mohly vrátit až po dohotovení díla, takže jsem si doma vysloužil preventivní zákaz dalších podobných uměleckých excesů (obr. 31, 32, 33).
Obr. 31
Obr. 32
Obr. 33
Motorest Rohlenka s poutačem a současně malou větrnou elektrárnou po jejím uvedení do provozu kolem r. 1990, detail rotoru a rotor po havárii při vichřici (foto L. Strakoš a B. Koč)
Ocelový příhradový stožár byl 17 metrů vysoký, kotvený lany. Kormidlo rotoru jsem svařoval doma v garáži, větrné kolo se sedmimetrovým průměrem bylo svařováno přímo na místě instalace u Rohlenky. V první verzi byly lopatky rotoru pevné, při čerstvém větru se však kolo točilo příliš rychle a při změnách větru vyvolávalo účinkem gyroskopických momentů značný ohybový moment hřídele, což mohlo vést nejen k poškození hřídele, ale i ložisek. Bylo proto nutno omezit otáčky rotoru. Původně pevně uchycené lopatky rotoru byly upraveny tak, že byly uchyceny přes pružinu, takže je silnější vítr vychýlil a snížil se tak jejich záběr a tím došlo k omezení otáček rotoru na přijatelnou míru.
Když už se kolo točilo správnými otáčkami, přišel i další nápad, proč se má točit nadarmo? Od toho nebylo daleko k dalšímu nápadu, připojit k rotoru generátor a využít elektřiny k ohřevu vody pro potřeby motorestu. V mateřském výzkumném ústavu jsem odkoupil za 5 tisíc tehdy ještě československých korun generátor s permanentními magnety, vše jsme dali dohromady, a elektrickou energii jsme pouštěli do odporového ohřevu vody. U paty stožáru byla i názorná informační tabule, co to je a co to dělá.
Technická data
větrné elektrárny Rohlenka
- Průměr rotoru 7 m
- Lopatky 16 ks, 2 × 0,4 m
- Výška osy rotoru 16,5 m
- Výkon (vítr 10 m/s) 4,5 kW
Jaké ale bylo moje překvapení, když se po čase ozval telefon. Volali Japonci z firmy Mitsubishi, že jeli kolem, že je poutač – elektrárna zaujal, zjistili si na motorestu, kdo toto zařízení konstruoval a vyráběl a ptali se, jaké mám ve svém programu další typy. Že by měli zájem o tisíc kusů podobných zařízení pro střední Asii. Později se ozvali ještě dva Indové, kteří chtěli v Delhi vyrábět větrné elektrárny pro celou Indii. Já jsem však měl „z míst nejvyšších“ (viz výše) zákaz dalších podobných experimentů – a tak jsem se nestal ani umělcem, ani výrobcem větrných elektráren pro Střední Asii ani pro Indii.
Provoz větrného kola na Rohlence však vyžadoval občasnou údržbu, především pravidelné mazání ložisek osy rotoru. K tomu bylo třeba vystoupit na sedmnáctimetrový stožár. Elektrárnu jsme předali do péče motorestu, jenže od té doby už nikdy nikdo ložiska nemazal, a tak se stalo, že „odešlo“ přední ložisko, které se při silnějším větru zadřelo, rotor se vychýlil a lopatky se „osekaly“ o stožár. (Protože se tak stalo za špatného počasí, nebyli naštěstí v blízkosti lidé, a tak byla škoda jen materiální – pozn. B. Koč.) Větrné kolo pak bylo nahrazeno modernější malou větrnou elektrárničkou, která však už neplní funkci poutače a na původním příhradovém stožáru se takřka ztrácí…“
Mobilní větrná elektrárna
Obr. 35 Inženýři Ladislav Strakoš a Jan Papež, spolutvůrci projektu unikátní větrné elektrárny s rotorem monoptera na podvozku tahače Tatra 815.
Na podzim roku 1992 se na Mezinárodním strojírenském veletrhu představila Československá armáda prostřednictvím veletržní expozice. Z dnešního pohledu se může jednat o zdánlivě všední událost. Opak je ale pravdou, k první prezentací nevedla jednoduchá cesta, na jejímž počátku byl model mobilní větrné elektrárny a osobnost doc. Strakoše. Spolutvůrcem řešení a modelu byl i plk. ing. Jan Papež, který je také autorem následující vzpomínky (obr. 35).
„Jedním z impulsů k myšlence upořádat armádní expozici v rámci brněnského veletrhu byl model mobilní větrné elektrárny. Ten začal vznikat v roce 1992 ze spolupráce mezi mjr. Ing. Janem Papežem z karlovarské mechanizované divize a plk. doc. Ing. Ladislavem Strakošem, CSc., prorektorem pro vědeckou činnost Vojenské akademie v Brně. Cílem bylo vyrobit mobilní větrnou elektrárnu, která by mohla sloužit jako náhrada za elektrocentrály používané v armádě. Volba padla na (u nás tehdy dosud nepříliš známý) typ „monoptera“, tedy větrná elektrárna s jednolistovým rotorem. K volbě vedla idea maximální jednoduchosti při transportu a zprovoznění elektrárny. Díky jedinému listu mohla být větrná elektrárna v transportní poloze přepravována bez demontáže rotoru. Použití elektrárny pak bylo velmi operativní: Tatra by dojela na určené místo, vztyčila by stožár s elektrárnou a ta by byla i v polních podmínkách ihned připravena bez další montáže k použití. Plánovaný výkon byl 30 nebo 60 kW.“
Model mobilní větrné elektrárny na podvozku Tatra 815 na stánku tehdejší Československé lidové armády při strojírenském veletrhu v areálu BVV na podzim roku 1992 a z této fotografie „vypreparovaný“ model s turbínou typu monoptera v pracovní poloze. Při transportu byl stožár společně s rotorem zajištěným v dolní úvrati sklopen směrem dopředu (foto B. Koč)
Jako vždy u vzniku něčeho nového, i zde se autoři myšlenky i modelu potýkali s mnohými problémy a komplikacemi. Přes několik variant se nakonec dostali k výsledku a vznikl model mobilní větrné jednolisté elektrárny v měřítku 1:13. K výrobě modelu posloužil podvozek z trenažéru Tatra 813 PM 55 – přepravník mostu. Model byl tedy nakonec úspěšně na světě a doc. Strakoš mohl být spokojený. Vznik modelu vlil autorům novou krev do žil a chtěli své dílo představit i široké veřejnosti. Jako ideální prostředek se nabízel Mezinárodní strojírenský veletrh v Brně (obr. 36, 37). Brněnské veletrhy a výstavy, a. s., umožnily Československé armádě model spolu s dalšími exponáty na veletrhu vystavit v samostatné expozici armády. Ta sklidila velký úspěch a zájem veřejnosti, armáda se představila v nejlepším možném světle. „Bohužel k realizaci mobilní větrné elektrárny jsme se nedostali, život přinesl mnoho jiných dalších aktivit, nicméně realizace mobilní větrné elektrárny je stále možná“, dodává plk. Papež.
Fifth part of the wind powerplants series is dedicated to small wind powerplants in the Czech Republic. The article describes main small wind turbines technologies, development of this branch in the Czech Republic and at the end it tells two stories of small wind mills installations.