Větrné turbíny v 21. století

Po třiceti letech vývoje větrných turbín sloužících k přeměně energie z větru na energii elektrickou, která je dodávána do rozvodné sítě, dosahuje toto „moderní odvětví“ velkého rozmachu.

Velké stroje (obvykle se nyní jedná o výkony 1 - 5 MW s rotorem o průměru 70 - 120 m) se používají k připojení do soustavy rozvodné sítě. Menší stroje pak mohou pracovat i jako autonomní (ostrovní) zdroje.

Technologie přeměny energie větru se stala moderním, pokročilým a velice důmyslným podnikem uvědomujícím si ekonomických výhod a přispívajícím ke zlepšení životního prostředí. Propracované technologie a zkušenosti výrobců se postupem vývoje soustředily především na výrobu turbín s vodorovnou osou rotace a převážně se třemi listy rotoru, které mají svoji výhodu v menším namáhání stroje od gyroskopického momentu.

Technická vyspělost jednotlivých výrobců větrných turbín se odráží na poslední generaci vývoje turbín. V tab. 1 jsou uvedeni hlavní výrobci větrných turbín, systém konstrukce a připojení stroje k síti a výkonové řady (i starší generace dříve vyráběné).

V podstatě se jedná o tři základní systémy, které jsou různě kombinovány a doplňovány. 1. Nejstarší systém s konstantními otáčkami, převodovkou a indukčním asynchronním generátorem doplněným kapacitní kompenzací. Jedná se o první, dnes již zastaralé systémy větrných turbín, které se v současné době demontují a nahrazují se turbínami nové generace. Výhodou této koncepce byla výroba levnějšího stroje.

Tab 1: Větrné turbíny vyráběné 1990 - 2002

style="margin-left: 2pt; border-collapse: collapse;" class="MsoNormalTable">

Výrobce	Systém a konstrukce	Výkonová řada
Bonus (Denmark) DeWind (UK/Germany) Enercon (Germany) GE Wind Energy (US/Germany) Lagerwey (Netherlands) Jeumont Industrie (France) MADE (Spain) NEG Micon (Denmark) Nordex (Germany) REpower Systems (Germany) Vestas (Denmark)	CT/CS, CT/AS VTDI VTDD CT/CS, VTDI VT/AGP, VTDD VTDD CT/CS , VTSGP CT/CS , CT/AGP, VTDI CT/CS, VTDI CT/CS, CT/AGP, VTDI SVT/OSP, VTDI	600 kW, 1 - 2,3 MW 600 kW - 2 MW 300 kW - 4,5 MW 600 kW, 0,9 - 3,6 MW 250 kW, 0,75 - 2 MW 750 kW - 1,5 MW 660 kW - 1,3 MW, 2 MW 600 kW - 1,5 MW, 1,5 - 2 MW, 1,5 - 2,5 MW 600 kW - 1,3 MW, 1,5 - 2,5 MW 600 - 750 kW, 1050 kW, 1,5 - 2 MW 660 kW - 2,75 MW, 0,85 - 3 MW

Vysvětlivky:
CT/CS - konstantní otáčky rotoru, clasic stall (pevné nastavení úhlu listů)
CT/AS - konstantní otáčky rotoru, active stall (neg. proměnlivé nastavení úhlu listů 3 - 5 st.)
VTDI - proměnlivé otáčky (+ pitch), napájený indukční generátor s vinutím rotoru i statoru (doubly fed)
VTDD - proměnlivé otáčky rotoru, synchronní generátor bez převodovky (direct drive)
VTSGP - proměnlivé otáčky rotoru (+ pitch) kombinováno s pomaloběžným synchr. generátorem
VT/AGP - proměnlivé ot. rotoru (+ pitch), kombinováno s asynchr. generátorem - 100 % napájeno přes konvertor
CT/AGP - konstantní otáčky rotoru, (+ pitch control) ve spojení s asynchronním generátorem
SVT/OSP - proměnlivé otáčky - max. 10 % nad nominální otáčky, pitch control (OptiSlip)

Nevýhodou je robustnost zařízení a vznik jalového proudu, který je typický pro asynchronní indukční generátory a rozhození sítě již při drobném výkyvu otáček rotoru tzv. „flicker“. Konstrukce je schematicky znázorněna v tabulce 2, A. 2. Systém proměnlivých otáček rotoru s převodovkou a synchronního generátoru s dvojím vinutím (je myšleno vinutí rotoru a statoru generátoru označovaného jako „doubly fed induction generator“) je znázorněno v tab. 2, B Jedná se o progresivnější konstrukci větrných turbín , kde rotor generátoru je napájen přes konvertor (frekvenční měnič) v závislosti na otáčkách rotoru. Výstupní napětí takto řízeného generátoru dodává do sítě již kvalitní napětí i proud.

Výhodou těchto konstrukcí je při aktivním natáčení rotorových listů, větší využití energie větru, vlivem lepšího využití aerodynamických vlastnosti rotorových listů. 3. Systém proměnlivých otáček rotoru v kombinaci přímého  pohonu  synchronního  generátoru (VTDD - variable speed direct drive) připojeného k síti přes konvertor - frekvenční měnič je znázorněn v tab. 2, C. Jedná se o nejlépe propracovanou technologii. Elektronický konvertor AC-DC-AC zaručuje vysoce kvalitní vstup elektrické energie do sítě. Vygenerovaná energie z těchto turbín dosahuje 100 % z nominálního výkonu turbíny. Nevýhodou je mohutnost generátoru.

Trend výroby větrných turbín se pohybuje ve dvou kategoriích. Kategorie systému B s použitou převodovkou a proměnlivými otáčkami rotoru s výkony nad 1,5 MW určené především pro farmy „offshore“.

Druhou kategorií jsou systémy C doposud výhradně doménou tří vyspělých firem z nichž nejdominantnější a zatím na vrcholu technických možností je Enercon se seriově vyráběnými turbínami o výkonu 4,5 MW a testy generátorů pro větrné turbíny s výkonem okolo 7 MW.

Současný celosvětový instalovaný výkon činí přibližně 33 000 MW a počítá se s vysokým tempem nárůstu asi 30 % ročně, což je globálně na výrobním trhu přibližně 10 bilionů EUR.

Miroslav Gežo

Seriál: Větrná energie, článek z roku 2003

zdroj: Alternativní energie