Z historie větrných elektráren
 | ||||||||||||||||
| Z historie větrných elektráren Ing. Břetislav Koč O větrných elektrárnách se v poslední době často mluví, diskutuje a píše. Jsou vychvalovány i zatracovány, diskuse bývají věcné i vášnivé. Počet informací na toto téma se v posledních letech exponenciálně zvyšuje. Stačí zadat internetovému vyhledávači heslo „větrná elektrárna„ a již není v silách jedince projít všechny zobrazené informace a odkazy, firemní prezentace, citace a odkazy na média a další zdroje informací či diskusí. Jsou však větrné elektrárny skutečně fenoménem posledních let, nebo je jejich historie přece jen poněkud delší? Odpověď může být rozporuplná: větrné elektrárny jsou známy už (nebo jen?) téměř 120 let. Původ větrných elektráren O tom, že prapředkem větrných elektráren byly větrné mlýny a větrná čerpadla, není třeba snášet žádné důkazy. Zaujme snad jen to, že historie využívání větru k mechanické práci sahá do šera věků, kdy vítr poháněl primitivní plachetnice přírodních národů a na souši – již celé tisíciletí před naším letopočtem! – otáčel i rotory prvních větrných mlýnů. Mechanický energetický výkon průměrného větrného mlýna z posledního období jejich reálného využívání (první polovina devatenáctého století) činil kolem 20 kW. Od dob největšího rozšíření větrných mlýnů ke spuštění první větrné elektrárny však uteklo mnoho vody – nebo v duchu tématu odválo mnoho větru.
Obr. 1. Sloupový větrný mlýn (Velké Těšany, okr. Kroměříž) – do aktivní pozice proti větru se natáčel celý objekt, uložený na středovém sloupu (foto autor) Větrné mlýny Třebaže klasické větrné mlýny nevyráběly elektrickou energii, je na místě zmínit je z hlediska základního principu přeměny síly větru v mechanickou práci a z hlediska způsobů regulace chodu těchto zařízení. Zatímco větrné mlýny využívaly tlak větru na plochu křídel nebo lopatek, využívají větrné elektrárny aerodynamických vlastností přesně definovaných profilů křídel. Větrné mlýny se proti větru natáčely celé (tzv. sloupové větrné mlýny – obr. 1), popř. se natáčela jen jejich střešní část s křídly (tzv. holandské mlýny – obr. 2). Natáčení bylo ovládáno pomocí jednoduchých vnějších nebo vnitřních mechanismů ručně, pouze v poslední etapě jejich existence byly holandské mlýny vybaveny i automatickým natáčením střešní části. Výkon větrných mlýnů byl regulován přidáváním nebo ubíráním výplně křídel. U větrných elektráren se proti větru natáčí gondola se strojovnou i křídly a u některých typů je provoz regulován i natáčením křídel podle jejich podélné osy. Obr. 2. Holandský větrný mlýn (Lesná u Znojma – před rekonstrukcí na restauraci) – proti větru se natáčela jen střecha s osou a křídly (foto autor)
Větrná čerpadla Zajímavou – a dosud neuzavřenou kapitolou využívání větrné energie k mechanické práci jsou větrná čerpadla. Měla zpravidla podobu mnohalopatkových, nejdříve dřevěných a později ocelových větrných kol. Typická jsou pro Severní Ameriku, ale až do 20. let dvacátého století je vyráběla i firma Kunz (obr. 3) v Hranicích, některá se dochovala dodnes i u nás, jako technické památky. I tyto stroje znamenaly jistý stupeň vývoje směřujícího ke konstrukci větrných elektráren. Počátky elektřiny Z historie jsou známa poměrně přesná data základních vynálezů, které se staly základem celé elektrotechniky. V letech 1800 až 1831 došlo k sérii objevů – stačí jen heslovitě připomenout:
Obr. 4. Charles F. Brush (1849–1929) První větrná elektrárna Realizace (neboli vynález) větrné elektrárny je připisována v krátkém časovém intervalu dvěma jedincům na dvou kontinentech. Z hlediska souvislostí je zajímavé i typické, z jakých konstrukčních prvků oba vycházeli. Podle známých skutečností první větrnou elektrárnu na světě postavil Američan Charles F. Brush (obr. 4), který na přelomu let 1887 a 1888 sestrojil první automatickou větrnou turbínu, napojenou na generátor elektrického proudu. Rotor elektrárny měl průměr 17 m (tzn. 50 stop) a skládal se ze 144 paprskovitě uspořádaných lopatek z cedrového dřeva (obr. 5). Výkon generátoru při otáčkách 500 min–1 byl 12 kW. Tento stroj byl postaven v Clevelandu (Ohio) a pojednával o něm i článek v odborném časopise Scientific American ve svém vydání z 20. prosince 1890 (podle komentáře provázejícího citaci tohoto článku na webových stránkách www.windpover.dk/tour byla regulace chodu této elektrárny dostižena až moderními konstrukcemi z 80. let dvacátého století). Elektrárna byla technologicky i výkonem dokonalejší než elektrárna v dánském Askově postavená o tři roky později. První evropská větrná elektrárna Evropský primát v konstrukci větrných elektráren patří profesorovi lidové univerzity v dánské obci Askov (na jihu Jutského poloostrova, asi 70 km od současných hranic s Německem), Poulu la Courovi (1846–1908). Ten zde od roku 1878 vyučoval matematiku, fyziku a chemii. Roku 1891 sestrojil první větrnou elektrárnu se čtyřmi až šesti „křídly„, tvořenými plachtami napnutými na rámové konstrukci, která se podobala klasickému větrnému mlýnu (obr. 6). Pro zkoušení modelů větrných motorů si vynálezce postavil i první zkušební větrný tunel, jehož kompresor byl poháněn parním strojem. V Askově také vznikl pravděpodobně první časopis s tematikou využívání větrné energie na světě. Roku 1904 Poul la Cour vydal první číslo Journal of Wind elektricity (obr. 7).
Obr. 8. Větrné elektrárny Poula la Coura na objektech školy v Askově Nejpozoruhodnější však je, že se Poul la Cour věnoval i problematice, jak akumulovat energii, vyprodukovanou větrnými elektrárnami, pro čas bezvětří. Takřka neuvěřitelně zní skutečnost, že řešení viděl vizionářsky, leč reálně, ve výrobě vodíku elektrolýzou vody, a takové zařízení v Askově také roku 1900 postavil. Jeho elektrolyzér se skládal z deseti trubic, v nichž probíhala elektrolýza. Tento přístroj mohl vyprodukovat až 1 000 l vodíku a 500 l kyslíku za hodinu. Poul la Cour sestrojil pro školu v Askově i svítidla, v nichž se svítilo vodíkem. Poslední zkušební větrná elektrárna svého konstruktéra o více než dvacet let přežila, ze střechy objektu byla demontována roku 1929. Objekt, v němž Poul la Cour bádal a na němž bylo postupně vztyčeno i několik typů jeho elektráren, se z větší části dochoval (obr. 8). Roku 2000 jej koupila Nadace Poula la Coura, podporovaná zástupci dánského „větrného průmyslu„, aby zde bylo zřízeno muzeum Poula la Coura, kterého v zemi také nazývají „dánským Edisonem„. V muzeu jsou shromážděny památky na tohoto badatele, fragmenty a modely původních zařízení, fotografie a publikace a na budově bude vztyčena i replika jeho původní větrné elektrárny.
Obr. 10. Fotografie lodi Fram uprostřed ker s konstrukcí křídel větrné elektrárny Větrná elektrárna na Framu Měřítkem užitečnosti každé inovace i vynálezu je jeho úspěšné využití v praxi. Větrné elektrárně se tohoto nejobjektivnějšího „certifikátu„ (tehdy se tomu tak ještě neříkalo) dostalo v evropském měřítku pouhé dva roky poté, kdy byl v Dánsku sestrojen prototyp. Roku 1893 totiž z Norska vyplul na svou legendární tříletou výzkumnou plavbu do oblasti Arktidy Fridtjof Nansen se svou lodí Fram. Výstroj a výzbroj byly přizpůsobeny předpokládanému driftu Framu, sevřeného ledovými krami v oblasti centrální Arktidy, i několika přezimováním v krajině více než nehostinné. Fram byl kromě jiného, což bylo k dlouhodobému přežití v polární oblasti nezbytné, vybaven i malou větrnou elektrárnou. Doklady toho lze nalézt při návštěvě muzea (obr. 9) lodě Fram v norském hlavním městě Oslo. Na jedné z pohlednic z tohoto muzea je zobrazen Fram v sevření ledových ker (obr. 10) s rotorem „větrného mlýna„. To je podle sdělení muzea (na dotaz autora) větrný pohon dynama, vyrábějícího proud pro svícení v útrobách Framu při dlouhé polární noci. Z dochovaných kreseb a fotografií je dobře patrné, že konstrukce větrného pohonu dynama skutečně vycházela z podoby křídel větrných mlýnů, stejně jako první větrné elektrárny Poula la Coura v Dánsku. Elektrický výkon větrného pohonu dynama na lodi Fram lze odhadovat na stovky wattů.
Obr. 12. Vize moderního větrného kola Větrná elektrárna a „čtyři soudruzi Papaninci„ Tak zvaný ostrovní provoz větrných elektráren nalézal (a dosud nalézá) uplatnění v situacích, kdy je zapotřebí elektřina „mimo civilizaci„, např. v chatách bez přípojky elektrického proudu, v dočasných táborech – a také při expedicích. Provoz větrných elektráren je v takových místech zpravidla jištěn jiným zdrojem, většinou spalovacím motorem s dynamem, ovšem vítr šetří cenné pohonné hmoty. V souvislosti s uplatněním větrných elektráren v polárních oblastech je zajímavý i příklad jejího použití sovětskou expedicí „čtyř soudruhů Papaninců“, legendárních polárníků, kteří byli 21. května 1937 vysazeni na driftující kru v oblasti severního pólu (obr. 11). Na ledě, hnaném mořskými proudy a větrem, se pohybovali až do 19. února 1938, kdy byli po 274 dnech a putování dlouhém 2 500 km evakuováni z již rozpadající se kry u Brewsterova mysu nedaleko východního pobřeží Grónska. V deníku nazvaném Čtyři soudruzi Papaninci, psaném radiotelegrafistou této výpravy E. T. Krenkelem, je asi 60 zmínek o provozu malé větrné elektrárny, která na kře sloužila k nabíjení akumulátorů, určených především k provozu radiostanice. Představy a skutečnost Začátkem dvacátého století už byly s prvními větrnými elektrárnami jisté zkušenosti. Již v prvních desetiletích dvacátého století se uvažovalo o možnostech a podobách zařízení využívajícího větrnou energii k pohonu elektrických dynam a generátorů i pro vyšší výkony a o tom, jakým směrem se bude konstrukce větrných elektráren dále vyvíjet. Tuto skutečnost dokumentují dobové kresby větrných elektráren budoucnosti, nacházející se v dnes už historických publikacích, jako je např. Technika překonává prostor a čas (autora Pavla Beneše, 1955, obr. 12), Přetvoření naší planety (Michaila Iljina, 1953) nebo Budujeme stát pro 40 000 000 lidí (J. A. Bati,1937), v níž technicky nejreálnější představu zpodobnil ilustrátor knihy Ing. B. Štefan (obr. 13). Dánsko – vývoj pokračuje Dánsko je jedinou zemí s nepřerušenou kontinuitou vývoje, výroby i masového využívání větrných elektráren od jejich vynálezu až po současnost. Impulsem rozšíření lokálních větrných zdrojů energie byl nedostatek energetických surovin v době první světové války. Roku 1919 získal dánský inženýr Povl Vindig patent na první moderní větrnou elektrárnu s rotorem pracujícím na aerodynamickém principu. Jeho zařízení s názvem Agricco prokázalo, že aerodynamické vrtule mají o polovinu větší účinnost než klasické lopatky se stejně velkou účinnou plochou. Koncem 20. let minulého století se v Dánsku rozšířily malé „faremní“ větrné elektrárny – v době největšího rozmachu jich bylo dvacet až třicet tisíc. Uplatnění v praxi tyto zdroje energie nalézaly především v tzv. ostrovním provozu, tedy v místech bez připojení k elektrické síti, především na zemědělských farmách. Tato zařízení poháněla hlavně zemědělské stroje (šrotovníky, mlátičky), ale i pily, čerpadla apod. Konkurence levných kapalných paliv a dalších energetických surovin, zaručujících časově kdykoliv přístupnou a levnou elektrickou energii, však větrným elektrárnám nedávaly příliš reálné šance na jejich masové rozšíření.
Obr. 14. Gedserský mlýn – větrná elektrárna z roku 1950 na betonové věži; průměr rotoru 27 m, výkon 200 kW (foto autor) Vývoj uspíšila druhá světová válka. V letech 1940 až 1945 postavila firma Knuda Lykkegaarda přibližně sedmdesát elektráren s průměrem rotoru 14 až 18 m a o výkonu 30 až 40 kW (je zajímavé, že Knud Lykkegaard objížděl „své“ elektrárny v elektrickém automobilu, jehož baterie byly nabíjeny právě z větrných zdrojů). Kolem roku 1950 zkonstruoval Ing. Johannes Juul, absolvent kursů Poula la Coura v Askově, tzv. Gedserský mlýn – větrnou elektrárnu na střídavý proud (obr. 14). V okolí nejjižnějšího dánského městečka Gedser bylo na betonových věžích postaveno několik takovýchto elektráren, které byly v provozu v letech 1957 až 1967. Uvedené elektrárny s třílistým rotorem o průměru 27 m, které dosahovaly výkonu 200 kW, byly „odrazovým můstkem„ ke konstrukci skutečně moderních zařízení zbudovaných po roce 1973, kdy vypukla tzv. první světová ropná krize. Některé z nich byly v 80. letech minulého století inovovány: výměna celé strojovny s rotorem, převodovkou, generátorem a nová regulace, přitom byl využit původní betonový stožár (obr. 15). Ropná krize jako impuls Polovina 70. let minulého století přinesla energeticky náročné industriální společnosti první velký šok, když si ropní šejkové uvědomili cenu „černého zlata„ a jeho význam pro vlastní trezory, ale především pro odběratele. Omezili tedy těžbu a podařilo se jim vyvolat nezadržitelný růst cen ropy. Evropa začala takřka přes noc uvažovat o jiných zdrojích energie. V Dánsku to znamenalo oživení zájmu o využití energie větru. Téměř učebnicově v této souvislosti zní příklad nevelké firmy Nordtank, vyrábějící od roku 1962 cisterny na přepravu a skladování ropy. Ropná krize a omezení dodávek se jí přímo dotklo v první vlně. Vedení firmy bylo v zájmu jejího přežití přinuceno vymyslet řešení, z dnešního pohledu jednoduché a geniální. Stačilo svařit několik trub připravených pro výrobu cisteren, místo kovaných čel je osadit přesnými přírubami – na jednom konci pro ukotvení na betonový základ, na opačném přizpůsobenými pro otočné uložení gondoly větrné elektrárny. Kromě firmy Nordtank se v Dánsku na přelomu 70. a 80. let dvacátého století objevili i další výrobci, např. firma Vestas (původně vyrábějící zemědělské stroje), firma Bonus a později i další. Vznikly i specializované firmy vyrábějící listy (křídla) větrných elektráren. Firma Bonus vyrobila roku 1980 svou první elektrárnu o výkonu 30 kW; občas ji vystavuje na odborných výstavách a veletrzích (obr. 16). Ve Tvinde předběhli dobu V historii techniky se jen těžko – a ve většině případů marně – hledá případ, kdy některý produkt skokově překoná vše, co je v dané době běžné, až o stovky procent. Výjimkou je větrná elektrárna, kterou v letech 1975 až 1977 z vlastní iniciativy postavili studenti a učitelé školy, úrovně naší střední, v obci Tvinde (nedaleko Ulfborgu na západním pobřeží Jutského poloostrova v Dánsku).  Obr. 16. Pohled pod kapotu větrné elektrárny o výkonu 30 kW firmy Bonus, Dánsko (foto autor) Stavba tehdy „největšího větrného mlýna světa„ byla „velkým skokem„ ve vývoji větrných elektráren a stala se především silným argumentem pro využívání jejich možností. Na betonové věži výšky 53 m byla umístěna strojovna se třemi lopatkami o délce 27 m (obr. 17). Instalovaný výkon elektrárny je 2 MW, pro možnosti místní sítě, k níž je elektrárna připojena, však musel být omezen na 960 kW. Polovina výkonu elektrárny je přímo využívána k ohřevu vody pro potřeby areálu školy. Do sítě elektrárna ročně dodává 600 až 700 MW·h elektrické energie. Tato historická a unikátní elektrárna má za sebou již 28 let provozu, během nichž nenastaly závažné problémy. Roku 1993 byly vyměněny listy rotoru za modernější s účinnějším profilem (původní listy vyrobili žáci školy ze skelného laminátu přímo na místě stylem „český kutil patlá z laminátu kánoi„). Převodovka i generátor jsou z 50. let, hlavní osa původně poháněla lodní šroub, gondola byla svařena z ocelových plátů na místě stavby. Růst výkonů V průběhu 80. let minulého století výkony sériově vyráběných větrných elektráren postupně rostly – v období 1980 až 1985 to byly desítky kilowattů, okolo roku 1990 stovky kilowattů a koncem 90. let dosáhly hranice megawattu. I v tomto období se však vyskytly experimenty, jejichž výsledky překonávaly běžnou komerční produkci a testovaly možné hranice těchto zařízení, které jsou dány objektivními technickými možnostmi a přírodními limity, ale i aktuálním stupněm vývoje konstrukčních materiálů a elektronických systémů regulace chodu elektrárny, přičemž cílem je maximální využití větrné energie a dosažení její stabilní kvality pro dodávku do sítě.  Obr. 18. Pohled na gondolu větrné elektrárny u Maglarpu; velikost i hmotnost gondoly odpovídají asi dvěma elektrickým lokomotivám Jedním z výrazných experimentů v oboru větrných elektráren byla koncem 80. let i stavba větrné elektrárny o výkonu 3 MW v jižním Švédsku u osady Maglarp (nedaleko Malmö). Elektrárna s označením WTS-3 (Wind Turbine System 3) byla financována jihošvédskou energetickou společností Sydkraft AB. Komponenty elektrárny byly vyrobeny v loděnicích v Karlskroně, listy rotoru jsou z USA. Stožár v podobě ocelové „roury„ délky 77 m, o průměru 3,9 m a hmotnosti 281 t, strojovna o rozměrech 5 × 5 × 14 m a hmotnosti 171 t a dva listy rotoru délky 38 m, každý hmotnosti 14 t byly oříškem i pro dopravu – a to je také závažný limit pro stavbu velkých větrných elektráren. Ocelová věž elektrárny (obr. 18) byla vztyčena na základech o průměru 21 m, na něž bylo zapotřebí 1 600 t betonu a desítky tun ocelové armatury. Montáž celého zařízení, při které byla portálovým jeřábem zdvižena kompletní gondola se strojovnou a listy rotoru s hmotností více než 300 t do výšky 80 m, byla sama o sobě technicky unikátní. Elektrárna dodávala na stanovišti s průměrnou rychlostí větru ve výšce osy rotoru 7,8 m·s–1 při 6 500 h provozu ročně až 8 GW·h elektrické energie. Tato kusově vyrobená elektrárna splnila svoji úlohu experimentu a poté byla demontována. Další experimentální elektrárnu o výkonu 2 MW postavili Švédové na ostrově Gotland a jiné experimentální konstrukce byly vztyčeny na severu Německa u Hamburku (projekt Growian) nebo na Orknejských ostrovech. V Dánsku dodnes pracuje elektrárna o výkonu 2 MW na zkušebním polygonu elektrárenské společnosti u Tjaereborgu (západní pobřeží Jutského poloostrova). Koncem dvacátého století překonaly komerčně vyráběné a provozované větrné elektrárny hranici výkonu 1 MW na jednom stožáru a v současnosti největší zařízení tohoto druhu jsou postavena v Německu – větrná elektrárna Enercon u Magdeburku o výkonu 4,5 MW a Repower u Bremenshavenu o výkonu 5 MW. V posledních letech jsou nejvýkonnější elektrárny stavěny i na mořských mělčinách ve skupinách po desítkách strojů. Vedoucí zemí ve vývoji v tomto směru zůstává Dánsko, následované Německem a Nizozemskem. | ||||||||||||||||
Již roku 1979 byla v halách firmy sestrojena první větrná elektrárna o výkonu 30 kW. O rok později již byla v Dánsku postavena první větrná elektrárna o výkonu 55 kW a firma se stala významným vývozcem těchto zařízení, jejichž výkon se postupně zvyšoval, do sousedních evropských zemí, ale také do USA. Z firmy, původně závislé na prosperitě ropného odvětví, se stala společnost vyrábějící technologie potřebné k využívání jednoho z alternativních zdrojů energie a současně pro úsporu fosilních paliv.