Větrem hnané unikáty, zajímavosti, kuriozity i šílenosti

Víme, že vítr napínal plachty jednoduchých plavidel primitivních civilizací, stejně jako plachetnice objevitelských cest nebo v současnosti supermoderní jachty miliardářů (to ovšem za nemalé asistence počítačů, servopohonů, radarů, sonarů atd…). Vítr dával energii mlýnům na obilí, koření, kůru, minerální barevné hlinky, čerpadlům, pilám, lisovnám oleje, nebo výtahům pro hlubinnou těžbu. Reálně používaným a v praxi ověřeným technologiím pro využití větrné energie se však vymykají některá řešení, popsaná v následujícím článku.

Větrný ptákoplaš

Nejmenším zařízením z této kategorie větrem hnaných, přitom ale reálně využívaných aplikací, jsou „ptákoplaše“. Ani se neptejte vinařů, jaký je jejich vztah k ptactvu. Asi byste je – v lepším případě – jen rozladili. Zralé hrozny některým ptákům chutnají a vůbec přitom neřeší, že vinaře připravují o polotovar k mnohem vznešenějšímu produktu. Že se vinař kolem keřů révy celý rok plahočil, od řezu ještě v čase mrazů, přes hlídání nástupu chorob a škůdců a zásahy proti nim, až po sklizeň a rychlé zpracování zralých hroznů, pokud je právě ptáčci zpěváčci neozobali.

Vinaři proto vymýšlejí v době zrání révy všechno možné i nemožné, aby okřídlence ze svých vinic odehnali. Plaší je například ohlušujícími ránami karbidových děl a v Rakousku jsem kolem Neziderského jezera viděl od rána do večera létat malé sportovní letadlo, které svými průlety nad vinicemi neustále plašilo hejna špačků. To se všichni vinaři spojili a létání si společně zaplatili. Zajímavý „ptákoplaš“ s větrným pohonem je také z Rakouska. Zařízení vydává při větru klapavý zvuk, když osa rotoru pohybuje dřevěnými kladívky a ta klepou a klepou, někdy rychleji, jindy pomaleji, jak se větru zachce. Nepravidelnost chodu a tím i zvuků je možná výhodou při plašení špačků, dokud ovšem vítr fouká.

Podobné zařízení popisoval i časopis Rolník roku 1929: „Z četných strašáků, jichž se často užívá, jsou nejlepší větrné mlýnky, jež mohou se otáčeti; ty prospívají zvláště dobře, připevní-li se na jejich osu malé zvonky, které i při slabém větru stále cinkají… Taková ptačí plašidla osvědčují se také velmi dobře k zapuzení ptactva z třešní a jiného peckovitého ovoce.“

Rakouský větrný ptákoplaš s bubnujícími kladívky a článek z kalendáře časopisu Rolník z roku 1929 s nákresem zařízení se zvonky.
(Břetislav Koč)

Vítr vyrobíme, pak mu poručíme…

Zdá se, že fyzikální zákony nejsou někdy pro vynálezce žádnou překážkou. Obor větrné energetiky není výjimkou. Připomeňme projekt Invelox, celé desetiletí prezentovaný na oborových konferencích, než jeho fyzikální nesmyslnost snad (konečně) pochopili i sami jeho tvůrci i zatvrzelí obhájci. Snažili se totiž „vytěžit“ z proudící vzduchové hmoty více energie, než s sebou v daném profilu nesla. Měl jim k tomu pomocí „koncentrátor“ větrného proudění na principu trychtýře a trojnásobná montáž rotorů v řadě za sebou uvnitř potrubí za vstupním koncentrátorem, blíže zde:

• Větrné elektrárny IX. – netradiční i staronová řešení a slepé uličky

Principem i případným provedením ještě mnohem komplikovanější systém vymyslela před časem australská společnost Enviro Mission. Základní myšlenkou jejího zařízení je vyrobit solárním ohřevem vzduchu v uzavřeném prostoru jeho proudění a tento „umělý vítr“, umocněný komínovým efektem, by pak byl nasáván přes rotory větrných turbín do vysokého komína.

Vynálezci ze společnosti Enviro Mission nebyli žádní troškaři. Snad se inspirovali myšlenkou francouzského vynálezce Bernarda Dubios z roku 1929, který ovšem uvažoval o zařízení v mnohem menším měřítku, využívajícího ohřátého vzduchu pod sedlovou střechou domu. Terminus technicus pro tento princip je „konvekční elektrárna“, teoretické úvahy o jejích možnostech v energeticky použitelném měřítku jsou však v praxi nerealizovatelné.

Projekt Enviro Mission měl dodávat 200 MW elektrické energie. Rozměry systému by však byly monstrózní. Kruhový „skleník“ měl mít průměr 4,8 km, s centrálně umístěným komínem 800 m vysokým (!) s průměrem 130 metrů (!!!). Skleník měl ohřát vzduch z vnějších 38 °C (počítalo se s instalací v australské poušti) na 82 °C. Celkem 32 větrných turbín v patě komína měl pohánět „umělý vítr“ nasávaný do komína rychlostí 56 km za hodinu (15,5 m/sec). Nabízí se porovnání se současnými elektrárnami: při dané rychlosti větru 15,5 m/s a průměru třílistého rotoru 130 m dosahují největší větrné elektrárny výkonu 7,5 – 9 MW. Jak by bylo možné pro dosažení výkonu 200 MW do zařízení umístit nejméně 20 (nebo dokonce projektovaných 32) takových rotorů nemá reálné řešení.

Porovnání rozměrů a výkonu konvekční větrné elektrárny Enviro Mission ve Španělsku s výkonem a rozměry větrné elektrárny DWT 150 u Kuželova na Hodonínsku. (Břetislav Koč)

Společnosti Enviro Mission se však přece jen podařilo roku 1982 postavit alespoň mnohanásobně menší zařízení. U španělského městečka Menzanares vznikla miniatura původního projektu s výškou komína 194 m a průměrem 10 m, průměr solárního ohřívače vzduchu (koncentrátoru) kolem paty komína pokrytého plastovou fólií činil 244 m (s plochou 40 tis. m²). Projektovaný výkonem celého zařízení měl být „úžasných“ 50 kW. Zařízení pracovalo v letech 1982–89 a podle zprávy konstruktérů „důsledně generovalo 50 kW výkonu zelené energie“. Což ovšem dokázaly větrné elektrárny klasické koncepce začátkem 80. let minulého století s běžnými třílistými rotory s průměrem kolem 20 metrů, výškou stožáru kolem 30 m a minimální zastavěnou plochou. Výhodou zařízení Enviro Mission mohlo být to, že si samo „vyrobilo“ vítr, i to by však bylo závislé na vnějších podmínkách, tedy slunečním svitu, který by dostatečně rychle obstarával ohřev vzduchu v dostatečném objemu. Kritické by bylo i stárnutí průsvitných fólií. A o tom, zda při výpočtech výkonu počítali projektanti i s tím, že ohřátý vzduch má nižší specifickou hmotnost (a tím s sebou nese i méně kinetické energie) lze pochybovat. Při teplotě 15 °C je hustota vzduchu 1,225 kg/m³, při teplotě 70 °C je však jen 1,029 kg/m³, což je snížení hustoty (a tím i jeho kinetické energie) na 85 %.

Je pozoruhodné, že princip „konvekční větrné elektrárny“ je občas nekriticky představován jako jedna z možných cest náhrady současných „větrníků“, např. v publikaci Energie z obnovitelných zdrojů z edice Encyklopedie energetiky vzdělávacího programu ČEZ – Svět energie.

Větrný pluh

Před několika roky otiskl maďarský časopis, věnovaný technickým veteránům článek o bezesporu pozoruhodném vynálezu Pásztora László, který se svými bratry Ferencem a Zsigmondem přihlásil na Maďarský královský patentový úřad pod číslem 70630. Jako datum vynálezu článek uvádí 3. duben 1916. Na převratný vynález svého děda vzpomíná ve zmíněném článku jeho vnuk, Csótó Mihály.

Podle popisu v uvedeném časopisu je základem vynálezu montáž větrného kola na pluh. Otáčky větrného kola jsou pomocí lanového převodu přenášeny na kola pluhu. Autor popsal i způsob, jak je možné pluh řídit a regulovat i hloubku orby. Vynálezce údajně sestrojil i prototyp, který samotného konstruktéra příjemně překvapil, leč nakonec k němu přece jen připojil i postroj pro koně. Kolik toho skutečně zoral, článek neuvádí. Přesto byl vynález zaregistrován.

Větropluh maďarského vynálezce Pásztora László (archiv autora, DTU a U.S. Navy)

Pluh, poháněný při orbě větrnou energií je jistě myšlenka velmi zajímavá, kdyby zařízení mohlo vzhledem k mechanismu a energetické náročnosti orby vůbec fungovat… A v tom je právě háček, fyziku lze jen těžko ošálit. Už první pohled na celou vyobrazenou konstrukci vzbudil mé podezření. Pluh má tři radlice, potřeboval by alespoň 20 kW výkonu traktoru. Průměr rotoru lze odhadnout na 3 metry. Není patrný nějaký výraznější převodový poměr lanového převodu. A hlavně: potřebného výkonu pro orbu třemi radlicemi nemůže rotor daného průměru při běžných rychlostech větru dosáhnout. Teoreticky by to bylo možné snad jen při vichřici, mělo by to však další háček: pokud by se celé zařízení pod náporem větru nepřevrátilo, a nějakým zázrakem by dokonce oralo, tak by byla zpracovaná půda bezesporu odvanuta někam do dáli v maďarské pusztě.

O posouzení jsem požádal i odborníky z České zemědělské univerzity. Profesor Fábry, jemuž se kopie článku i vyobrazením dostala do rukou, článek prostudoval a byl upřímně potěšen i pobaven a jednoznačně konstatoval, že takové zařízení opravdu fungovat nemůže. Vynálezce odhalil coby maďarského kolegu Járy Cimrmana, nebo že by to bylo dokonce inkognito samotného českého génia? Pikantní je, že vnuk vynálezce nepochybuje o genialitě svého prapředka (a o své vlastní jistě také) a hodlá myšlenku realizovat. Ať se tedy třesou výrobci moderních pluhů a traktorů slavných značek… (Děkuji ing. Kuchtové z ČZU za zprostředkování posudku prof. Fábryho a  dr. Ivanu Sládkovi za zprostředkování odborného překladu článku.)

Větrný křižník

Několikanásobně těžší kalibr nesmyslnosti ukazuje kresba větrem poháněného křížence křižníku a invazního plavidla. Francouzi by podle kresby použili pro případnou invazi do Anglie větrné energie k následnému kolesovému pohonu monstra pro 60 tisíc ozbrojenců se 600 děly. Komentovat snad netřeba, porovnávat s technikou a výzbrojí spojenců při invazi opačným směrem koncem II. světové války nelze. I největší současné letadlové lodě by měly svou velikostí blednout závistí. Dobovou kresbu plavidla (bohužel blíže nedatovanou) použili organizátoři 2. mezinárodního mlynářského symposia TIMS (International Molinological Society) konaného r. 1965 v Dánsku jako emblém pro svého rokování.

Větrnými rotory a kolesy hnaná invazní bitevní loď v představě neznámého kreslíře a logo mezinárodního mlynářského symposia TIMS konaného r. 1965 v Dánsku. (archiv autora, DTU a U.S. Navy)

Větrné pračky

Mnohem reálnější zařízení má rovněž armádní původ s reálným takticko-strategickým a s velmi praktickým mírovým využitím. Vítr totiž poháněl amatérsky sestrojené pračky na prádlo nebo uniformy amerických námořníků na ostrovech v Pacifiku v čase II. světové války. V archivech U.S. Navy se dochovaly fotografie, které to dokumentují.

Typická „homemade“ zařízení byla sestavena z toho, „co dům dal“ – v tomto případě co dal areál základny amerických námořních pěšáků. Základem praček byly různě velké barely, jejichž víka i plech byly použity jako „křídla“ větrných rotorů a hlavním pracím elementem byly prací zvony. Ty se skládají ze svou částí zvonového tvaru, které do sebe zapadají a na společné ose (dřevěné násadě) je mezi nimi pružina. Svislým „šťoucháním“ v pracím roztoku s prádlem docházelo mezi zvony k tlakovým rázům, které napomáhaly praní. Není jasné, zda byly použity továrně vyráběné prací zvony, nebo si je armádní kutilové podle vzpomínek na historické vybavení jejich domovů sestavili sami.

Unikátní je však každopádně způsob jejich pohonu. Při běžném praní v domácnostech obstarávaly „pohon“ hospodyně či pradleny. Inovativní větrný pohon vycházel ze zalomené hřídele na ose větrného rotoru, k němuž byla táhla zvonů pohyblivě uchycena. Podle velikosti barelu bylo možné sestavit i zařízení se dvěma vedle sebe uloženými zvony. Informaci o tomto využití větrné energie přinesl časopis International Molinology č. 76 v červnu 2008.

Větrné pračky US Navy – malá pračka s pohonem přes excentr, velká se zalomeným hřídelem na ose rotoru. (Foto archiv U.S. Navy)

Prací zvon v expozici Technického muzea v Brně. (archiv autora, DTU a U.S. Navy)

Je zajímavé, že samotné prací zvony byly továrně vyráběny ještě v 50. letech minulého století a dochovaly se ve sbírkách některých muzeí. Fotografie je z Technického muzea v Brně.

Větromobily

Myšlenku jak využít větru i pro pohyb kolových vozidel na souši lze vystopovat už ve staré Číně, což dokazuje vyobrazení ručního vozíku s plachtou. V knize Pavla Beneše „Technika překonává prostor a čas“ (Mladá fronta 1953) je i vyobrazení vozu s plachtami pro pobřežní pláně. Jeho současnou verzí jsou větrem hnané kolové jachty pro závody na plážích, nebo jejich zimní verze, vybavená skluznicemi pro závody na zamrzlých plochách. V Holandsku byl nápad realizován skoro před 400 lety. Vůz byl sestrojen pro 40 lidí a měl se pohybovat rychlostí 50 – 60 km/hod. Šlo však spíš o poněkud nebezpečnou atrakci. V publikaci je zmiňována i více než 500 let stará myšlenka pohonu pozemního pohybovala nikoliv plachtami, ale větrným kolem.

Větrem hnaný ruční vozík z Číny a větrná suchozemská jachta na kolech z Nizozemska (archiv autora, DTU a U.S. Navy)

Větromobily dnes

Idea větromobilů však nezanikla. Současné stroje této kategorie jsou vděčným námětem pro studentské konstrukční týmy a jejich soutěže. Těžko se dá předpokládat praktické využití jejich prototypů; jejich význam ale spočívá v tom, že konstruktéry nutí hledat nová technická řešení pro netradiční pohon. Soutěží dvě „formule“: stroje s přímým mechanickým pohonem odvozeným od osy větrného rotoru, a stroje s elektrickým pohonem prostřednictvím elektřiny, dodávané „větrníkem“. Ale pozor: závodí se ve směru proti větru.

Případné akumulátory pro trakční použití v elektroverzi musí být při startu bez napětí. Vozítka mají dané základní parametry: délka do 4 metrů, maximální šířka 2 metry a výška včetně větrného rotoru maximálně 3,5 m, samotný rotor může mít maximální průměr do 2 metrů. Rotor lze natáčet proti větru.

Mnohem náročnější na konstrukci, aerodynamiku i převody jsou vozítka s přímým mechanickým pohonem. Nejlepší konstrukce dokáží absolvovat trať vyšší rychlostí, než je rychlost protivětru. Zdánlivá nemožnost tohoto jevu byla prokázána nejen teoreticky, ale i prakticky při mezinárodních závodech každoročně pořádaných v nizozemském městečku Den Helder, asi 80 km severně od Amsterdamu. Zatímco elektrická varianta větromobilu týmu DTU – Dánské technické univerzity v loňském závodu Racing Aeolus Den Helder dosáhla 65 – 68 % rychlosti protivětru, mechanický větroelektromobil dosáhl 113,1 % rychlosti protivětru a vítězný kanadský vůz pak 113,9 %. Vítězné stroje s přísně aerodynamickým tvarem používají v konstrukci špičkovou cyklistickou výbavu od kol po „převodovku“, tedy cyklistickou přehazovačku. Letos se závod uskutečnil 22. – 24. srpna (viz www.racingaeolus.online) opět v Den Helderu. Závodily týmy z Kanady, Anglie, Dánska, Německa (3 týmy), Turecka (2), Nizozemska (3) a Skotska. Trať vedla po hrázích, chránících historické centrum města před vlnami Severního moře.

Mechanický větrným rotorem poháněný závodní stroj DTU v expozici Dánské technické univezity na veletrhu větrné energetiky v Kodani. (archiv autora, DTU a U.S. Navy)

Záběr ze závodu větromobilů r. 2018 v Nizozemsku – kanadský stroj (archiv autora, DTU a U.S. Navy)

V Česku nejčastější

Větrný rozmrazovač (Břetislav Koč)

A které zařízení, reálně využívající síly větru, je v Česku s velkou pravděpodobností nejvíce zastoupené? Pro mnohé asi bude odpověď překvapivá: nejsou to větrné elektrárny, ale větrné rozmrazovače. Samotný název tohoto zařízení toho moc nenapovídá o jeho principu, konstrukci ani funkci.

Takže: v zimě potřebují ryby v zamrzlých rybnících, jezerech i rybích sádkách i pod ledem okysličenou vodu. Větrné rozmrazovače využívají jedné z anomálií vody, a to její nejvyšší hustoty při 4o C u dna. Rozmrazovač vodu míchá systémem přenosu otáčivého pohybu od větrného kola nad hladinou přes převod k vrtuli pod hladinou nade dnen. Žene tím teplejší vodu k hladině a tím zamezí její zamrznutí v okruhu několika metrů, takže se voda může stykem se vzduchem okysličovat.

Nosná konstrukce tohoto zařízení je vybavena plováky, které je v ukotveném stavu drží na hladině, nese osmilopatkové větrného kolo s průměrem 1,2 metru s převodovkou a svislou hřídelí s vodní vrtulí o průměru 57 cm. Délka hřídele je volena tak, aby vodní vrtule spočívala nade dnem. Používá se tam, kde není možné použít zařízení na elektrický pohon (není v blízkosti elektrická síť).