V oblastech s vysokou rychlostí větru, v pobřežních zónách a na místech, kde solární elektrárna „nezvládne“ zimu, se pro autonomní napájení využívají větrné elektrárny – „větrné generátory“ (zkráceně VG). Ale na většině území naší země je průměrná rychlost větru pouze 4-5 m/s, zatímco větrný generátor potřebuje k výrobě „jmenovitého výkonu“ 10-12 m/s. Proto není pochyb o důležitosti správného a promyšleného instalace zařízení až do bodu , kde bude jeho vrtule v zóně s maximální rychlostí větru.
Výkon větrného generátoru a závislost na rychlosti větru a výšce stožáru
Proč je tak důležité „neztratit“ ani metr za sekundu? Stanovme závislost výkonu větrného generátoru na rychlosti větru.
1. Kinetická energie vzduchu pohybujícího se laminárně (bez turbulence) W=1/2mV2, kde m je hmotnost vzduchu, V je jeho rychlost.
2. Hmotnost vzduchu procházejícího za čas t a plochu S lze vyjádřit následovně: m=VtSρ, kde: S je plocha popsaná šroubem VG, ρ je hustota vzduchu.
3. Pro určení výkonu (P) vydělte energii časem, dosaďte výraz za hmotnost, dostaneme: P=1/2V3Sρ.
4. Pokud nyní výraz vynásobíme účinností zařízení jako celku, který zahrnuje převodní koeficient lopatek vrtule, účinnost převodovky a generátoru (ƞ), získáme skutečný výkon „větrného mlýna“: P=1/2V3Sρ ƞ. V praxi se hodnota ƞ obvykle pohybuje v rozmezí 0,4-0,5.
Jak je vidět z výpočtu, výkon VG je úměrný třetí mocnině rychlosti větru, to znamená, že zvýšení rychlosti o 2 krát způsobí zvýšení výkonu o 8 krát!
Při výběru místa pro instalaci větrného generátoru by tedy měla být rozhodující rychlost větru a absence turbulencí (vírů). Z těchto důvodů jsou ideální následující:
- břeh velké vodní plochy;
- vrchol hory nebo kopce;
- střed rozšířeného pole.
Bohužel, v reálném životě má moře, pole a hory na svém pozemku jen málokdo. Proto platí pouze jedna zásada – čím vyšší nastavení, tím lépe. V ideálním případě by Větrný generátor měl být alespoň o 6 (šest) metrů výše než okolní objekty (domy, stromy, budovy, kopce), aby byl v zóně laminárního pohybu vzduchu.
Uveďme si jednoduchý příklad, který lze snadno zkontrolovat v on-line kalkulačce pro výpočet na našem webu. Uvažujme model pětilistého větrného generátoru HY-1000, stojícího v „nekonečném“ poli poblíž Petrohradu:
- Při výšce stožáru 5 metrů je maximálního výkonu dosaženo v září a je 1,38 kWh/den;
- Zvýšíme-li výšku stožáru na 10 metrů, dostaneme 2,43 kWh/den;
- Zvětšeme výšku na 20 metrů a dostaneme 3,12 kWh/den.
Závěr se napovídá – často místo zvýšení výkonu větrného generátoru stačí zvýšit výšku stožáru.
Rozhodující role umístění větrné turbíny v účinnosti energetického systému
Je velmi lákavé připevnit k domu stožár větrného generátoru, aby se zvýšila výška celé konstrukce. Navzdory zjevným výhodám má tento přístup řadu nevýhod:
Jednak instalace vydává zvuky a tyto zvuky lze po stožáru perfektně přenést na konstrukci domu, což bude časem dráždit jeho obyvatele. Za druhé, pokud se budova nachází na území města, mohou být vyžadovány další souhlasy dozorových orgánů.
Za pozornost také stojí provedení samotného stožáru. Pokud jsou horizontální lineární rozměry stožáru srovnatelné nebo přesahují rozměry VG, pak ve skutečnosti může být samotný stožár zdrojem turbulencí.
Velmi názorný příklad, kdy stožár v podstatě překáží chodu systému a navíc částečně stíní solární panely, je na fotografii.
Zvláštní pozornost by měla být věnována výběru průřezu kabelu. Vzhledem k tomu, že VG je umístěn na stožáru a regulátor nabíjení je někde v domě, může být délka vedení značná, stejně jako pokles napětí. To může snížit účinnost nabíjení baterií. Z těchto důvodů musí být plocha průřezu kabelu dostatečně velká, aby tento efekt byl zanedbatelný. Chcete-li vypočítat plochu průřezu kabelu, měli byste se řídit pravidly popsanými v článku Výpočet průřezu vodiče.
Na rozdíl od instalace solárních panelů, instalace větrné turbíny často vyžaduje velké stavební práce, jako je betonování základny, instalace kotevních pilot a svařování. Správná instalace však zajistí spolehlivý a efektivní provoz systému a maximální produkci energie po celou dobu jeho životnosti.
Pro výběr elektrické instalace generující vítr je nutné co nejpřesněji určit nejkonstantnější směr a průměrnou rychlost větru v místě, kde má být zařízení instalováno. Je nutné pochopit, že lopatky větrného generátoru se začínají otáčet při rychlosti větru 2 m/s. Maximální účinnosti instalace je dosaženo při rychlosti větru 9 – 12 m/s.
Pro dodávku elektřiny do malého venkovského domu potřebujete generátor o jmenovitém výkonu alespoň 1 kWh, generovaný při rychlosti větru asi 8 m/s.
Výkon větrné elektrické instalace do značné míry závisí na rychlosti větru a průměru pracovní vrtule.
Pro výpočet výkonnostních charakteristik větrné turbíny pro malý venkovský dům můžete použít následující vzorce:
1. Výpočet větrného generátoru na základě oblasti rotace
P = 0,6*S*V 3,
S — Plocha (m2), kolmá na směr větru;
V — Rychlost větru (metry za sekundu).
P – Výkon generátoru, kW
2. Výpočet větrného generátoru na základě průměru vrtule
P = D 2 *V 3 /7000,
D — Průměr šroubu (metry);
V – Rychlost větru (metry za sekundu).
P – Výkon generátoru, kW
3.Složitější výpočet zohledňující hustotu proudění vzduchu
Přesnější výpočet lze provést pomocí následujícího vzorce:
P = ξ • π • R2 • 0,5 • V3 • ρ • ηred • ηgen
ξ — koeficient využití větrné energie (ve jmenovitém režimu u vysokorychlostních větrných turbín dosahuje maxima ξmax = 0,4 ÷ 0,5), veličina neměřitelná
R — poloměr rotoru, jednotka měření — m
V — rychlost proudění vzduchu, jednotka měření — m/s
ρ — hustota vzduchu, měrná jednotka — kg/m3
ηed — Účinnost převodovky, jednotka měření — procenta
ηgen — Účinnost generátoru, jednotka měření — procenta
Obecná doporučení
Je zřejmé, že pro výběr nejoptimálnějšího průměru vrtule větrného generátoru je nutné znát průměrnou rychlost větru v místě plánované instalace. Množství elektřiny vyrobené větrným mlýnem roste v krychlovém poměru s rostoucí rychlostí větru. Pokud se například rychlost větru zvýší 2krát, kinetická energie generovaná rotorem se zvýší 8krát. Můžeme tedy dojít k závěru, že rychlost větru je nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím výkon zařízení jako celku.
Při výběru místa pro instalaci větrné elektroinstalace jsou nejvhodnější plochy s minimálním počtem zábran proti větru (bez velkých stromů a budov) ve vzdálenosti minimálně 25-30 metrů od obytného domu (do nezapomeňte, že větrné generátory během provozu velmi hlasitě hučí). Výška středu rotoru větrného mlýna by měla být alespoň o 3-5 metrů vyšší než nejbližší budovy. Na větrném průjezdu by neměly být žádné stromy ani budovy. Vrcholy kopců nebo horská pásma s otevřeným terénem jsou nejvhodnějšími místy pro větrné generátory.
Pokud se váš venkovský dům neplánuje připojit ke společné síti, měli byste zvážit možnost kombinovaných systémů:
- WPP + solární panely
- WES + Diesel
Kombinované možnosti pomohou vyřešit problémy v oblastech, kde je vítr proměnlivý nebo závisí na ročním období, a tato možnost je také relevantní pro solární panely.
Online kalkulačka pro výpočet větrné turbíny
Hlavní 
Osvědčení alternativní energie Výroba větrné energie
