Poručíme větru – netradiční konstrukce větrných elektráren

Giga rozměry, ale…?

Roku 2017 byla v Norsku založena společnost Wind Catching Systems (WCS), jejímž cílem bylo „radikálně zlepšit technologie pro větrné elektrárny na moři, které by byly dostatečně konkurenceschopné současným konstrukcím, obešly by se bez dotací (což již současné technologie splňují) a dodávaly levnější elektřinu“. V červnu roku 2021 společnost prezentovala svůj projekt „Wind Catcher“ jako plovoucí systém více než 100 jednotlivých větrných elektráren, uložených v 324 m vysoké (!!!) plovoucí konstrukci. Zařízení by mělo – podle společnosti WCS – dodávat energii pro 80 tis. domácností. Společnost současně zveřejnila svou představu, jak by takové zařízení mělo vypadat.

Za měřítka si pro vizualizaci zvolili animátoři z WCS pařížskou Eifellovu věž pro výšku a obří výletní zaoceánskou loď pro délku (oba tyto objekty Wind Catcher překonává) a  Boeing Jumbo nebo A-380 jsou svou délkou jen na čtvrtině Wind Catcheru. Jak už to bývá, nezasvěcení komentátoři se netajili obdivem…

Nelze však být nekritický. Pochybnosti o možnosti samotné konstrukce i deklarovaného výkonu „pro 80 tisíc domácností“ (proč ne v megawattech?) lze formulovat několika jednoduchými výpočty a z nich plynoucími otázkami.

Podle vizualizace má být v rámu umístěno 9×13 větrných elektráren s možným průměrem rotoru necelých 25 metrů. Pro porovnání: větrné elektrárny Vestas V-27 z přelomu 80.–90. let minulého století měly průměr rotoru 27 metrů a dosahovaly výkonu 225 kW při rychlosti větru 16 m/s. I při možném pokroku v účinnosti moderních listů větrných elektráren a využití vyšších rychlostí větru na otevřeném moři by pro rotory s průměrem do 25 m bylo možné uvažovat o výkonu 400 kW, pro celý systém by to znamenalo výkon do 50 MW, což je výkon čtyř současných klasických mořských (off-shore) větrných elektráren.

Stěží řešitelným problémem by byla hmotnost nosné konstrukce sestávající ze 14 párů 324 m vysokých stožárů, které by musely unést gondoly s převodovkami, generátory a listy jednotlivých větrných elektráren s hmotností kolem 10 tun každé z nich. A to umístěných až ve výšce přes 300 metrů! A další nezanedbatelnou zátěž v řádu až desítek tun by tvořila kabeláž celého systému.

Přečtěte si také Větrem hnané unikáty, zajímavosti, kuriozity i šílenosti Přečíst článek

Systém by měl být postaven na plovoucí plošině, kotvené na dně „s využitím stávajících postupů uplatněných ropným průmyslem pro jejich offshore platformy“. Celý rám se 117 větrníky by však bylo nutné operativně natáčet proti proměnlivému směru větru. Jak by ale byla řešena vertikální stabilita celého zařízení proti působení větru?

Tvůrci uvedeného monstra uvádějí jako výhodu relativně menších turbín jejich snadnější montáž (i ve výšce 300 m?) a to, že většinu instalačních a údržbářských prací by bylo možné provádět bez potřeby speciálních jeřábů a plavidel. Objektivně však větší počet turbín znamená příslušně vyšší nutnost údržby a potřeby případných oprav v porovnání s běžnými mořskými offshore elektrárnami. Ve vizualizaci nejsou patrné žádné obslužné lávky ani výtahy pro dopravu montérů nebo náhradních dílů.

Roku 2021 uvedl ve svém prohlášení Ole Heggheim, generální ředitel společnosti Wind Catching Systems, že firma „učiní plovoucí větrnou elektrárnu konkurenceschopnou již v letech 2022–2023, což je nejméně o deset let dříve než konvenční plovoucí pobřežní větrné farmy… Budeme dodávat větrnou energii za cenu energie z technologických řešení fixovaných na dně“.

Svými rozměry, a jak se zdá, praktickou nereálností v prezentovaných parametrech, lze projekt Wind Catching System srovnat s návrhem gigantické větrné elektrárny německého konstruktéra Honnefa pro hlavní město německé říše kolem r. 1936.

Její příhradová konstrukce měla být vysoká 550 m, nesla by 3 nebo 5 dvojitých protiběžných rotorů s průměrem 160 m.

Inspirace od kolibříků

Kopírování přírody, nebo přesněji využití některých přírodních schémat ke konstrukcí a využití jednoduchých nebo i složitějších strojů bylo a je jednou z inspirací vynálezců a inovátorů v historii lidské civilizace. A došlo i na zajímavou aplikaci pohybu kolibříka ke konstrukci netradiční větrné elektrárny.

Od přírody si pro netradiční větrnou elektrárnu vzal její konstruktér Anis Aouini ze společnosti Tyer Wind z Tunisu tu fázi pohybu kolibříka, kdy se vznáší na místě „třepotáním“ křídel jejich oscilací ve tvaru osmičky. Dvojice křídel větrné elektrárny je tvarována tak, aby tento pohyb napodobila. Kritickým momentem konstrukce větrné elektrárny Tyer Wind je bezesporu mechanika převodu tohoto pohybu na pohon generátoru, pokud je použit rotační generátor. Teoreticky by mohl snad být použit i nějaký „lineární“ generátor. V technickém popisu a zobrazení větrné elektrárny Tyer Wind není kinematika v interiéru gondoly popsána. Z vizualizace není ani patrný způsob natáčení gondoly s křídly proti větru.

Ke cti konstruktérů slouží to, že uvádějí konkrétní rozměry a technická data prototypu s označením TW2, který je uveden jako větrná elektrárna s vertikální osou pohybu dvojice 1,6 m dlouhých křídel s celkovou opisovanou plochou 3,56 m², která se při svém „osmičkovém“ pohybu třepotají v rozsahu +/−40°. Jsou uvedena i provozní data. Větrná elektrárna „startuje“ při rychlosti větru 3,8 m/s a jmenovitého výkonu 1 kW dosáhne při rychlosti větru 10 m/s a 450 cyklech. Nejsou uvedena data o maximální pro zařízení bezpečné rychlosti větru a způsob uvedení systému do parkovací polohy.

Jako výhody svého mechanického kolibříka jsou uváděny menší hlučnost, větší bezpečnost pro migrující ptáky, nižší „vizuální rušení“. To vše, včetně reálných dat o účinnosti, výkonu a spolehlivosti tzv. Aouinian 3D kinematiky, namáhání stožáru kmitáním křídel je předmětem ověřování prototypů v reálných provozních podmínkách. Čas ukáže, zda nejde jen o zajímavou a na racionálních principech postavenou a designérsky atraktivní hříčku.

Levitující větrné elektrárny

Čínská společnost s poněkud jazykolomným jménem (díky fonetickému přepisu z čínštiny) Zhongke hengyuan energy technology vyrábí malé větrné elektrárny s vertikální osou, ať už s rotory typu Savonius, Darrieus nebo i v kombinaci obou typů. Unikátní však u těchto elektráren, převážně s výkony ve stovkách wattů až několika kW je využití principu MagLev (magnetická levitace), kdy se rotor vznáší díky prstencům magnetů na pevném základu elektrárny (statoru) a na spodním prstenci rotoru. Výhodou tohoto systému je, že nepotřebuje ložiska a tím má nižší energetické ztráty třením, a také nižší nároky na údržbu. Až potud je vše „v normě“ technických i provozních možností.

Při veletrhu Wind Power Asia v Pekingu však společnost vedle svých zavedených elektrárniček prezentovala i poněkud bujnou představu o možném vývoji tohoto typu elektráren. Její „giga“ MagLev by měl blíže nedefinovaný výkon „pro 750 tisíc domácností“. Z uváděné potřebné plochy pro stavbu této elektrárny (100 akrů, 1 akr = přibližně 4 tis. m²) a z nákresu elektrárny lze odvodit výšku rotoru s vertikální osou 700 metrů. Rotor typu Darrieus by měl být tvořen asi 20 vertikálními „lopatkami“. Rozběhová rychlost větru tohoto monstra by byla 1,5 m/s a měla by využít i větru, spíš vichřice, s rychlostí 40 m/s (144 km/h). Kam až by trosky rotoru za těchto podmínek dolétly, už prezentace neuvádí…

Přece jen možná inovace?

Nelze popírat vše, co se vymyká zavedenému a principu konstrukce současných větrných elektráren. Mezi ty střízlivější patří například projekt americké společnosti Aerominetechnologies při Univerzitě v Houstonu, i když oficiální technické údaje a provozní výsledky nejsou zatím dostupné.

Nejviditelnější částí větrné elektrárny tohoto typu je rám s vestavěnými pevnými „spojlery“ – zakřivenými plochami, jejichž účelem je vytvořit podtlak, který nasává vzduch z okolí a zrychluje tak jeho proudění. Generátor s rotorem se svislou osou je umístěn v tubusu ve spodní části zařízení. Teoreticky by tak mohla uměle zvýšená rychlost nasávaného vzduchu z vnějšího prostředí zvýšit otáčky rotoru a tím i elektrický výkon rotoru generátoru. Princip nuceného aerodynamického zrychlení proudícího vzduchu v otevřeném vnějším prostředí větrné elektrárny je zajímavý, na rozdíl od některých projektů, které se o totéž snažily zúžením uzavřeného profilu před rotorem (např. projekt Invelox, viz https://oze.tzb-info.cz/vetrna-energie/17071-vetrne-elektrarny-ix-netradicni-i-staronova-reseni-a-slepe-ulicky).

Systém Aeromine má v součané podobě několik omezení. Není „všesměrový“, nenatáčí se proti větru, může proto účinně pracovat jen tam, kde převládá vítr z jednoho směru. Větrné elektrárny Aeromine jsou projektovány jako střešní instalace bez stožáru. Nakolik by chod a výkon tohoto zařízení ovlivňovaly turbulence nad střechou budovy, může být diskutabilní. Zajímavé by mohlo být provozní porovnání výkonu systému Aeromine s jednodušší větrnou elektrárnou s všesměrovým rotorem typu Savonius.