Technologie do větru

Obrovský rozmach ve stavbě velkých větrných elektráren, jejichž výkon koncem letošního roku ve světě přesáhne 120 GW, si vynutil zrod netradičního průmyslového oboru. Přichází nejen s novými koncepcemi, ale i s novými technologiemi sériové výroby jejich komponent – zejména vrtulových listů, mechatronických převodovek, obřích ložisek, hydraulických měničů apod. Krátký pohled do historie Budoucnost do nebe sahajících ocelových věží s větrnými rotory vyrábějícími elektrický proud předpověděl Gustav Eiffel v době, kdy se v západní Evropě točila kola nejméně 20 000 větrných mlýnů. S vrtulí pohánějící dynamo a natáčející se proti větru na vrcholu sloupu pomocí vzdušného kormidla přišel dánský inženýr Poul La Cour na přelomu do 20. století. Dnešní podobu třílopatkových rotorů pohánějících přes převodovku alternátor v otočné gondole na vysokých věžích dostaly větrné elektrárny až když začátkem 80. let okopírovaly přísně aerodynamický tvar leteckých vrtulí a vyztužené kompozity umožnily jejich výrobu v délkách 40 m i více. O trh se v současné době dělí 10 světových výrobců, kterým dominuje dánský Vestas, americký General Electric, německý Enercon, REpower a Siemens, přibývají však i koncerny z Indie a Číny. K nim se řadí i česká strojírenská skupina Wikov Wind, jejíž pokročilé konstrukce uplatňují až 70 % u nás vyráběných komponent. Jen v Německu toto nové odvětví zaměstnává 45 000 pracovníků! Technický pokrok Výkon jednotek zákonitě roste s průměrem rotoru. Jednotky s rotorem o ? 35 m v letech 1990 – 1995 dosahovaly výkonu 200 kW. O 10 let později s rotory o ? 70 m již poskytovaly výkon až 1 MW, dnes dokončované větrné farmy na pobřežích jsou standardně vybavovány jednotkami o výkonu 2 až 3 MW s třílistými rotory ? 80 až 100 m, a v současné době se testují elektrárny s rotorem o průměru 140 m, schopné poskytovat výkon až 5 MW. Otáčky 100metrových turbín jsou velmi pomalé (6 – 20 ot.min-1), regulují se natáčením listů a převážně přes kompaktní planetové převodovky pohánějí asynchronní alternátory, vyžadující pro udržení síťového kmitočtu 1500 nebo 3000 ot.min-1. Brzdné systémy se umísťují jednak do rotorové hlavice, vždy však ale vzhledem ke krouticímu momentu i na výstupní hřídel převodovek. Použije-li se převodovek s proměnlivým převodem zejména pomocí hydrodynamických měničů, je možné nasadit i synchronní generátory. Nejnověji asi 25 % elektráren dává přednost přímému pohonu vícepólových synchronních generátorů, které za cenu vyšší hmotnosti a využití silnoproudé elektroniky (invertory, střídače, převod přes stejnosměrný proud aj.) umožňují optimální synchronizaci napojení do rozvodné sítě bez ohledu na režim elektrárny. Systém přímého pohonu „Direct Drive“ prosazovaný společností Enercon se sice obejde s méně ložisky, těžký generátor velkého průměru však konstrukci neodlehčí. Projektanti se musejí vypořádat zejména s proměnnými nápory větru, omezeným vestavným prostorem strojoven v gondolách a požadavkem co nejnižší hmotnosti strojovny na víc jak stometrových stožárech. Inteligentní nastavení listů Aby jednotka optimálně využívala pořád se měnící proud větru i v různých výškách, musí prakticky neustále přestavovat geometrii jednotlivých lopat v průběhu každé otáčky. To je záležitostí elektronického regulátoru, kontrolujícího zejména výstupní výkon turbíny, a dynamických, převážně hydraulických, regulačních pohonů uvnitř nebo i vně hlavy rotoru. Listy reagují na sebemenší poryv větru a při překročení výkonového limitu se staví „do praporu“, aby nekladly zbytečný odpor blížící se vichřici. Trend směřuje ke kolektivnímu řízení desítek až stovek jednotek ve větrných farmách, kdy jednotka právě reagující na nápor větru ovlivní svými signály nastavení lopatek u jednotek ve směru větru za sebou nebo vedle sebe, aby došlo k maximálnímu lokálnímu využití aktuální energie větru. Zásnuby mechatronického systému s hydraulikou Ve vývoji převodových systémů se jako nejpokrokovější řešení ukazuje spojení hydrodynamických nebo hydrostatických měničů krouticího momentu a otáček s nadřazenou planetární převodovkou, umožňujících optimálně sladit otáčky rotoru s otáčkami generátoru. Právě takovými převodovkami SPG (Super Position Gear) vybavuje 2MW jednotky česká společnost Wikov Wind. Zkušený výrobce Bosch-Rexroth kombinuje planetovou převodovku s hydrostatickým plynule regulovatelným převodovým poměrem. Využívá dvojice axiálních pístových jednotek s proměnným geometrickým objemem a s možností reverzace otáček. Technologického „Oskara“ v oboru - cenu Hermes Award 2009 – pro letošní rok získal podobný systém WinDrive společnosti Voith s tak dynamickým ovládáním, že synchronní generátor lze připojit na síť během 20 ms! Je použitelný až do výkonů 8 MW, a díky výstupnímu napětí až 13,8 kV se jednotka obejde bez transformátoru. Technologie spékaných vrtulí Nejkritičtějším prvkem větrných elektráren jsou listy jejich turbín s délkou až 60 metrů, s obvodovou rychlostí kolem 200 km.h-1. Vztlakové síly na aerodynamicky čistém profilu rostou s druhou mocninou rychlosti větru a připojeným generátorem vyprodukovaná elektrická energie dokonce s jeho třetí mocninou. Extrémně namáhány jsou odstředivou silou, nerovnoměrnými nápory větru a vibracemi. Divize Siemens Wind Power je vyrábí sériově v novém závodu se 700 zaměstnanci v dánském Aalborgu, patentovanou technologií, založenou na spékání sklolaminátovou technologií zhotovených polovin dutých listů. Obě poloviny se vyrábějí na dokonale hladkých dřevěných „kopytech“ nanášením tun skleněných textilií a epoxidové pryskyřice. V obrovské sklopné formě se sesadí, do dutiny se umístí nafukovací neoprénové polštáře a uzavřená a vyhřívaná forma se natlakuje několika tunami epoxi-pryskyřice. V každé formě se „upeče“ bezešvá vrtule během 48 hodin. Po opracování příruby a nalakování se odváží speciálními transportéry. Při statických a dynamických přetěžovacích zkouškách takto vyrobených listů se první vady způsobené únavou materiálu objevily až po 2 milionech kmitů. Podíl SKF na nejvýkonnější větrné turbíně světa Výkonem 5 MW drží světový rekord experimentální větrná jednotka 5-M hamburské společnosti REpower s průměrem turbínového kola 126 m. Až 130 tun těžký rotor na dutém hřídeli o průměru 150 cm si vynutil u švédského SKF vývoj speciálních obřích valivých ložisek. Toroidní ložisko CARB je axiální, druhé axiálně vodivé ložisko je soudečkové. Obě jsou mazána plastickými mazadly. Těmito jednotkami bude mj. osazen i dokončovaný offshore park na pobřeží Belgie s celkovým výkonem 300 MW. Technologie vítězí nad předsudky Díky novým technologiím dominující výrobci ve fundovaných testech prokázali, že nová generace 3MW elektráren v již dokončených větrných parcích vrátí energii vynaloženou na jejich výrobu, transport a instalaci od spuštění během 4 až 6 měsíců. Dále se podařilo snížit všeobecně proklínanou hlučnost tak, že při jmenovitém výkonu hluk v kilometrovém odstupu od sídlišť nepřekračuje 40 dB, což je srovnatelné s hlukem domácí pračky. Prokázali, že odraz na kompozitových listech ruší digitální televizi méně než končící analogové vysílání, a že některé druhy ptáků se dokonce zahnizďují na gondolách elektrárny. Americký výrobce radarově „neviditelných“ letounů a plavidel tvrdí, že nalezl recept na dvouvrstvý materiál, umožňující vyrobit radarově neviditelný rotor, zatím bohužel za částku, převyšující cenu celé elektrárny. Přestěhují se na moře? Vzhledem k nebývalému zájmu o stavby větrných farem na mořských pobřežích Evropy i USA lze předpokládat, že vhodná místa z hlediska přístupnosti elektroenergetické sítě budou brzo obsazena. Novou perspektivu najdou větrné elektrárny v podobě „plovoucích“ bójí, zakotvených desítky kilometrů od pobřeží v místech s hloubkou do několika set metrů. První z nich s výkonem 2,3 MW se v rámci pilotního projektu společností Siemens a StatoilHydro rozběhla letos v létě 12 km od norského ostrova Karmoy. Přesun výkonných větrných elektráren na moře sice zvýší náklady na instalaci o přípojky a prodloužení elektroenergetických sítí na dvojnásob, ale jen u vhodných míst pobřeží USA by mohl z větru vytěžit až 900 GW! S převratným projektem větrných elektráren s vertikální osou založených na principu Darrieusova rotoru přichází britský architekt Thomas Grimshaw. Podle jeho projektu má být první „aerogenerátor“ s výkonem 9 MW postaven do 5 let na vhodném místě u pobřeží Velké Británie. Předností proti věžovým větrným elektrárnám je vyšší stabilita, protože strojovna s generátorem je umístěna v jeho podstavě (na moři jako plovoucí bóje), což dovoluje zvětšit i účinné plochy aerodynamicky tvarovaných křídel rozevřených do podoby V. Světoznámý architekt letos předvedl třicetimetrový model s výkonem 50 kW. Jak je zřejmé, technologie větrných elektráren i jejich principy ještě neřekly své poslední slovo... Ing. Jan Tůma