Technická problematika větrných motorů
Obsah kapitoly
-
7.1
Větrné motory
- 7.1.1 Rozdělení větrných motorů
- 7.1.2 Odporové větrné motory
- 7.1.3 Vztlakové větrné motory
- Testové otázky
Pro praktické využití síly větru je důležitou veličinou tlak, kterým působí vítr dané rychlosti na 1 čtvereční metr plochy, kolmé na směr větru. Následující tabulka názorně ukazuje obrovské hodnoty vzdušných mas z energetického hlediska.
| Beaufortův stupeň | Rychlost větru [m/s] | Tlak vzduchu [kg/m2] |
| 1 | 0,3-1,5 | do 0,2 |
| 2 | 1,6-3,3 | 0,2-0,9 |
| 3 | 3,4-5,4 | 1,0-2,3 |
| 4 | 5,5-7,9 | 2,4-5,0 |
| 5 | 8,0-10,7 | 5,1-9,2 |
| 6 | 10,8-13,8 | 9,3-15,4 |
| 7 | 13,9-17,1 | 15,5-23,6 |
| 8 | 17,2-20,7 | 23,7-34,5 |
| 9 | 20,8-24,4 | 34,6-47,9 |
| 10 | 24,5-28,4 | 48,0-64,9 |
| 11 | 28,5-32,6 | 65,0-85,0 |
| 12 | nad 32,6 | nad 85,0 |
7.1 Větrné motory
7.1.1 Rozdělení větrných motorů
Větrné motory lze dělit dle různých kritérií. Za nejdůležitější je třeba pokládat aerodynamický princip, který má pro činnost větrného motoru největší význam. Z tohoto hlediska dělíme větrné motory na odporové a vztlakové.
Zpět na začátek7.1.2 Odporové větrné motory
Využívají tlaku proudícího vzduchu na překážku. Jejich podstatou je, že plocha nastavená proti větru klade aerodynamický odpor, čímž se vyvozuje síla, která se přeměňuje obvykle na rotační pohyb. Tyto motory patří mezi nejstarší a mohou mít osu otáčení jak vodorovnou, tak i svislou.
Miskový anemometr je nejpoužívanější odporový větrný motor. Polokoule orientovaná svojí dutinou proti větru klade zhruba 3,5 krát větší odpor než polokoule vypouklá, takže vzniklý moment síly způsobí roztočení rotoru. Tento větrný motor slouží jen k pohonu měřicího přístroje. Jeho účinnost je pro energetické účely velmi nízká.
Obr. 7.1: Miskový anemometr
Obr. 7.2: Turbínkový anemometr
Savonius je rotor pracující na podobném odporovém principu s tím rozdílem, že plochy kladoucí větru odpor nejsou kulové, nýbrž válcové. Zakřivením pracovních ploch lopatek tohoto motoru vznikne navíc tlakový spád, který o něco zvýší účinnost. Tyto motory lze vidět zpravidla jen u amatérských konstrukcí s půlenými barely nebo u různých samohybných reklamních poutačů. Velikost odporových ploch lze zakrývat žaluziemi a tím i regulovat otáčení rotoru.
Obr. 7.3: Motor Savonius
Zpět na začátek7.1.3 Vztlakové větrné motory
Mezi tyto větrné motory patří vrtule. Obtékáním vzduchu podél listů vrtule vzniká vztlak, který podstatně zvyšuje účinnost motoru.
Animace 7.1: Obtékání vzduchu kolem listu
Působením aerodynamických sil na listy vrtule se převádí kinetická energie větru na rotační mechanickou energii.
Vrtule se většinou konstruují ve dvou nebo třílistém provedení. Existují však i jednolisté vrtule, které musí mít protizávaží. Počet listů nehraje roli.
Obr. 7.4: Konstrukce vrtulových listů
Čtyřlisté vrtule se používají spíše z technologických důvodů v souvislosti s výrobou hlavy rotoru. Vrtulové listy se mohou také natáčet podél své podélné osy a tím zlepšit rozběh motoru, regulaci otáček a výkon. Byly vyvinuty i větrné motory s protiběžnými vrtulemi.
Obr. 7.5: Konstrukce protiběžných vrtulí
Jedna vrtule se spojí s rotorem a druhá se statorem generátoru. Točí-li se pak tyto listy proti sobě, mají dvojnásobnou frekvenci než v případě pevného statoru.
Natáčení osy vrtulového motoru do směru větru se děje samovolně, je-li vrtule umístěna za gondolou.
Obr. 7.6: Umístění vrtule za gondolou
Jde-li vrtule před gondolou, musí mít gondola orientační zařízení. U malých motorů pak větrné kormidlo.
Obr. 7.7: Umístění větrného kormidla
Výkon vrtule lze ještě zvýšit kapotáží jako konfuzor nebo difuzor.
Obr. 7.8: Konfuzor
Obr. 7.9: Difuzor
Taková provedení však nemají praktický význam, protože jejich cena, hmotnost a výrobní náročnost nevyrovnají přínos na výkonu větrného motoru, jehož lze dosáhnout jednodušeji zvětšením průměru vrtule.
Větrná kola mají místo vrtulových listů jednoduché lopatky, jejichž počet se pohybuje od čtyř do několika desítek podle velikosti průměru větrného kola a podle požadované rychloběžnosti.
Obr. 7.10: Různé provedení lopatek u větrných kol
V zásadě platí, že frekvence otáčení při stejném průměru rotoru nepřímo závisí na počtu lopatek.
Při větším počtu lopatek se větrný motor snadněji rozbíhá a má při rozběhu větší moment síly.
Obr. 7.11: Konstrukce větrného motoru s větším počtem lopatek
Na principu vztlaku pracuje i větrný motor s vertikální osou, který patentoval francouzský inženýr Darrieus.
Jejich rotor může mít podobu dvou, tří nebo čtyř lukovitě prohnutých velmi štíhlých lopatek s příčným profilem vytvořeným podle zákonů aerodynamiky.
Obr. 7.12: Různé typy větrných motorů Darrieus
Obr. 7.13a: Funkční větrné motory Darrieus
Obr. 7.13b: Funkční větrné motory Darrieus
Uložením aerodynamického profilu do společného rámu na vertikální ose vznikne větrný motor na podobném principu. S tímto způsobem pohonu se experimentuje především v USA.
Obr. 7.14: Uložení rotoru na společném rámu
Tyto větrné motory jsou levnější. Umožňují připojení generátoru přímo na osu do základů stavby, nevyžadují zařízení k natáčení rotoru proti větru, ale nerozbíhají se bez cizího zdroje.
K odstranění tohoto nedostatku lze použít rotoru, jehož prismatické listy v průběhu otáčky rotoru ještě oscilují v rozsahu několika stupňů kolem své podélné osy. Tyto rotory se v literatuře označují jako giromilo nebo cyklogiro. Ovládací mechanizmus natáčení listů je výrobně náročný, prodražuje cenu rotoru a má negativní vliv na životnost a dlouhodobou spolehlivost
Obr. 7.15: Princip natáčení listů cyklogiro
Existují i další bizarní návrhy na vztlakovém principu využívající k pohonu například Magnusův efekt. Rotující válec v proudu vzduchu vyvolá zakřivení proudnic, čímž vznikne vztlaková síla, která při optimálním poměru rotační rychlosti válce s rychlostí vzduchu je i několikrát větší než u nejlepšího aerodynamického profilu. Toto uspořádání však vyžaduje dvakrát změnit směr rotace válce při každém objezdu uzavřené dráhy.
Obr. 7.16: Princip Magnusova efektu
Rotující válec lze ale nahradit profilem ve tvaru křídla, nicméně toto provedení nedosahuje při stejné velikosti ploch srovnatelného výkonu s vrtulovými motory.
Jako lineární generátor byla navržena kruhová dráha s elektronicky řízenými oplachtěnými vozíky, které by svým magnetickým polem při pohybu nad statorem budily v jeho vinutích elektrický proud.
Obr. 7.17: Oplachtěné vozíky lineárního generátoru
Pro praktické použití u větrných elektráren tedy jednoznačně vycházejí nejlépe vrtulové motory. Z tohoto důvodu se budeme v následujících kapitolách zabývat jen jimi.
Zpět na začátek