Teorie - základy

Výpočet výkonu

P .. výkon vrtule [W]
c_p .. součinitel výkonu (účinnost) [0 - 0.5]
S .. plocha rotoru, u turbíny s vodorovnou osou otáčení je to plocha kruhu S = π·r²   [m²]
ρ .. hustota vzduchu ρ = 1.28   [kg·m^-3]
v .. rychlost větru [m/s]

Při dalším popisu budu používat zkratku VE pro větrnou elektrárnu. Tak se na to podívejme, jak z toho vyštípat co nejvíc energie. Podle vzorce je patrné, že nejlepší bude když všechny hodnoty budou co možná největší. Máme tu výkonový součinitel, ten závisí na typu VE a přesnosti návrhu a provedení. Dále je vidět, že čím větší poloměr rotoru tím větší výkon (jak překvapivé). Z hustotou vzduchu toho moc neuděláme. S rostoucí rychlosti vzduchu roste výkon s třetí mocninou. Takže prvořadé by měla být volba stanoviště. Čím víc větru tak tím mnohonásobně víc energie.

Rychloběžnost - λ

Rychloběžnost je poměr mezi rychlostí konce lopatky a rychlosti větru. VE se rozdělují táké podle rychloběžnosti a to na rychloběžné a pomaloběžné. Pokud chcete vyrábět elektrickou energii tak jsou pro Vás hlavně důležité rychloběžné VE, jelikož generátory el. energie potřebují povětšinou vysoké otáčky. Samozřejmně se to dá vyřešit pomocí převodovky, na ní ale vznikají ztráty. Ale hlavně se tím zhoršuje rozběh rotoru při slabším větru.

Otáčky rotoru

Pokud známe rychloběžnost, rychlost větru a průměr rotoru pak můžeme vypočítat rychlost otáčení.

Součinitel výkonu, rychloběžnost, typ VE

Obrázek výše ukazuje závislot mezi typem VE, rychloběžností (u/v) a výkonovým součinitelem.
Betz je teoreticky vypočítaná účinnost které lze dosáhnout. Jde o to, že nemůžete z pohybujícího se vzduchu odebrat veškerou energii. Kdyby jste to udělali tak by se vzduch za rotorem zastavil a začal se hromadit, proto je teoretická účinnost 0.6 (nebo někde okolo, podle toho jak se to počítá).
Ideální rotor by musel mýt nekonečný počet nekonečně tenkých lopatek které nemají žádné tření a pohybují se nekončně velkou rychlostí aby v obtékajícím vzduchu nevznikala rotační složka.
Savonius

Savoniúv rotor je rotor pracující na odporovém principu se svislou osou otáčení. Jelikož dosahuje malé rychloběžnosti, tak se hodí spíš na čerpání vody než na výrobu elektřiny. Jeho výhoda je snadná výroba, žádné natáčení na vítr a rozběh už při malém větru.

Americká vícelopatková turbína

Tato turbína se používala na americkém zapadě pro čerpání vody. Jako lopatky se používaly naohýbané plechy. Díky velkému počtu lopatek má dobrý rozběhový moment. Obecně platí, že čím má VE vetší rychloběžnost tím má menší počet lopatek a je třeba precizněji volit profil listu. Tento typ VE má malou rychloběžnost, což ale pro čerpání vody nevadí.

Holandský mlýn

Tyto mlýny sloužily k mletí obilí. Na vítr se natáčely buď ručně, nebo pomocí malé větrné turbíny zpřevodované k natáčení gondoly. Jednotlivé části lopatek se daly odkrývat a tím regulovat výkon rotoru.

Darrieus

Je to turbína se svislou osou otáčení, pracující na vztlakovém principu. Jednotlivé listy jsou aerodynamicky profilovány. Vztlak na křídlech vzniká jen při otáčení, což znamená, že při stojící VE na ni nepůsobí při větru žádný kroutící moment, je tedy nutno tuto VE roztáčet pomocí cizího zdroje (např. motorem nebo savoniovým rotorem). Tento rotor byl použit i ve filmu "Vodní svět", kde jím poháněli loď.

Rychloběžná vrtule

Dnes hojně používaný typ VE na výrobu el. energie. Listy jsou pečlivě tvarovány do aerodynamického profilu. Větší typy mají natáčivé rotorové listy, kterými vlivem změny úhlu náběhu mění výkon VE. Menší typy jsou natáčeny na vítr pomocí ocasní plochy, větší typy jsou natáčeny pomocí motorů a čidel směru větru.