Aká je reálna výroba energie v slabom vetre?

     4.7.2016 - Podľa predpovede nemalo skoro vôbec fúkať, ale napriek tomu sa vietor zdvihol na 2,7 m/s. Dobré podmienky na malý test. Malý test dobrý na umravnenie veľkých očakávaní málo informovaných uctievačov veľkých možností malých veterných elektrární.

      Ako som už spomenul minule, turbína sa roztáča, resp. rozbieha ľahšie, ako sa roztáčala po inštalácii. Pripisujem to "zábehu" ložísk, pretože iný dôvod neexistuje. Tentokrát na rozbeh stačilo spomínaných 2,7 m/s (rozbeh = získa prevádzkové otáčky, typicky nad 60 RPM, roztočenie = začne sa hýbať, typicky od rýchlosti vetra 2 m/s). Vďaka tomu, že fúkalo síce slabo ale relatívne stabilne, dostala sa do prevádzkových otáčok, aj keď to trvalo asi 10 minút. Tu sa dostávame k prvej pointe.

     Pri priemernej rýchlosti vetra 2,7 m/s sa otáčky turbíny pohybovali v rozsahu 80-100 RPM a výkon kolísal v závislosti na otáčkach od 5 do 20 W. Vietor neskôr klesol na 2,4 m/s a výkon sa pohyboval do 10 W. Na grafe v pravo je to pekne vidieť. Je to asi 50 minútový záznam, v strede ktorého vietor znova na chvíľku zosilnel na pôvodné hodnoty. Pripomínam, že ide o turbínu s plochou takmer 4 m2 a deklarovaným ale aj overeným výkonom 1000 W pri rýchlosti vetra 11 m/s. Máme tu 5 - 20 W versus 1000 W. Práve s týmto katastrofálnym, ale fyzikálne oprávneným nepomerom neinformovaní potenciálni majitelia rôznych vrtuliek vôbec nepočítajú. To samozrejme využívajú niektorí šikovní predajcovia, ktorých jediným cieľom je predať. Máloktorý predajca povie zákazníkovi kupujúcemu napr. 600 W vrtuľu, že tých 600 W s ktorými chce podporovať kúrenie vo svojom dome, bude mať k dispozícii len keď bude v jednom kuse fúkať vietor 10-12 m/s. Ak to budú len 3 m/s, dosiahnutý výkon bude v hodnotách do 10 W, aj to len za predpokladu, že daný produkt naozaj funguje, resp. ak mu 3 m/s vôbec stačia na to, aby sa roztočil do počiatočných prevádzkových otáčok.

     Preto všetkým záujemcom o informácie neustále zdôrazňujem, že prvoradým a veľmi dôležitým krokom pred kúpou alebo výrobou veternej elektrárne je dlhodobé, najlepšie celoročné meranie intenzity vetra. Ideálne presne v mieste plánovanej inštalácie, čo do polohy a aj výšky nad terénom. Potom si musia sami vyhodnotiť účelnosť vynaloženej námahy alebo investície, vychádzajúc z toho, že rýchlosť vetra 3 m/s je minimálna hranica nejakého použiteľného dosiahnutého výkonu a ten bude za týchto podmienok zhruba jednou stotinou deklarovaného výkonu turbíny. Pri zvyšovaní rýchlosti vetra výkon turbíny bude stúpať najprv pozvoľne, pri vyšších hodnotách prudko, nakoľko výkon je funkciou tretej mocniny rýchlosti vetra. Viac o problematike nájdete na stránke Energia vetra. Ak po dlhodobom meraní vieme, akými rýchlosťami a s akým trvaním počas testovaného obdobia fúkalo, dokážeme si vyhodnotiť aj predpokladaný energetický zisk turbíny. Faktom je, že na Slovensku nie je veľa skutočne veterných miest. To neznamená, že takým nemôže byť to vaše. Ale jednoznačne nestačí zhodnotiť to tak ako častokrát počúvam: "U mňa fúka poriadne a skoro vždy." A skoro vždy sa ukáže, že išlo o veľmi nepresný odhad. Záverečné vyhodnotenie by malo byť konfrontáciou toho, čo je za daných podmienok možné, s tým, čo vlastne od veternej turbíny chceme. 

     Osviežením počas horších letných veterných podmienok bývajú búrky. Tak ako môžu byť osviežením výkonového grafu, môžu byť aj veľkým problémom hroziacim deštrukciou, najmä ak vietor hoci na krátko vyletí do extrému a turbína na to nie je pripravená. Ale ani búrky nezachránia výrobu energie v zlých veterných podmienkach. Ako čerstvý príklad, na grafe vľavo, jedna nedávna búrka počas svojho krátkeho trvania dala zhruba 150 Wh energie za hodinu. Aj z dvojhodinového grafu je vidieť, že vietor bol naozaj silný len chvíľu, keď bolo dosiahnuté maximum 620 W. Potom nastal výrazný útlm a po ňom už len čerstvý vietor za vytrvalého lejaku. Na konci tohto článku je krátke video ktoré situáciu trochu priblíži.

     300 Wh z jednej búrky, 20 W z vetra 3 m/s... je to málo, alebo nie?  Odpoveď závisí od toho, ako bolo spomenuté vyššie, čo od veternej turbíny vlastne chceme. Je rozdiel, či chceme vykrývať samovybíjacie straty akumulátora plus prípadné straty spôsobené vlastnou spotrebou regulátora malého solárneho systému niekde na chate, alebo má veterná turbína podporovať veľkú strešnú fotovoltaiku domáceho ostrovného alebo hybridného systému. Pre prvý prípad nám postačí jednoduchá Savoniova turbína z dvoch 10-20 litrových plechoviek a k nej napríklad krokový motorček, čím aj bez ďalšej elektroniky (ak nemáme obavy z prebíjania) dokážeme funkciu zabezpečiť. Druhý prípad bude potrebovať určite väčšiu turbínu. Ale akú veľkú?

     Skúsme to takto: Moja 1000 W turbína s plochou 4 m2 dáva pri vetre 3 m/s cca 20 W. Tabuľka s približnými hodnotami rýchlosť vetra - výkon, vyzerá takto:

     Ak si dovolíme generalizovať a situáciu veľmi zjednodušiť, môžme použiť jednoduchú priamu úmeru pre výpočet výkonu turbín iných rozmerových parametrov. Napr. turbína s polovičným deklarovaným výkonom bude schopná dať cca polovice z uvedených hodnôt, a turbína s dvojnásobným výkonom dvojnásobky. Spoliehať sa pritom na výrobcom deklarované parametre nemusí byť vždy dobrý nápad, pretože mnohí z nich papierové parametre výrazne vylepšujú. Istejšie bude urobiť si vlastné výpočty aspoň z plochy turbíny a jej predpokladanej účinnosti.

     U ostrovného, poloostrovného, ale aj u hybridného systému sa obyčajne hodí každý watt. Ak by bolo naším cieľom pri 3 m/s dostávať z turbíny aspoň 100 W, teoreticky by sme potrebovali 5000 W turbínu (znovu zjednodušujem - taký slabý vietor jej nemusí stačiť na rozbeh, aj keď výrobca tvrdí niečo iné). Potom aj všetky vyššie výkony pri silnejších vetroch budú päťnásobné. Najmä v lete, keď fotovoltaika pokrýva spotrebu dostatočne, môže nastať problém kam s vyrobenou energiou.   

     Riešenia existujú, ale budú vyžadovať ďalšiu doplnkovú elektroniku alebo profesionálne riešenie s umelou záťažou. Komu sa nepáči plytvanie energiou do umelej záťaže, môže realizovať iný systém uplatnenia prebytkov. V zime postačí aj tú plytvajúcu umelú záťaž strčiť do obytných priestorov, ak je to možné. Alebo odviesť energiu do iných vyhrievacích telies alebo špirál bojlerov. Systém musí byť dôkladne navrhnutý a dobre premyslený a zabezpečený. Napríklad každý bojler sa raz zohreje, špirála sa odpojí a čo potom? Keď už naozaj nie je kam, turbína sa musí odstaviť. Aj to je riešenie. Ale aj to chce ďalšiu elektroniku, ktorá to urobí aj keď nebudete doma alebo práve spíte. 

     Hovorím, že je celkom logické, ak nás to ťahá skôr k väčším turbínam, z dôvodu pokrytia energetických potrieb aj v horších veterných podmienkach. Ale celkom určite platí: čím väčšia turbína, tým väčšie starosti. 5 kW turbína, či už VAWT alebo HAWT nebude žiaden drobec. Osobne preferujem viac menších turbín pred jednou veľkou, ale bohužiaľ aj v tomto prípade platí: čím viac turbín, tým väčšie starosti :-)  Väčšie starosti a väčšie náklady.

     Náklady... Často zaznievajú otázky o finančnej návratnosti veternej turbíny. Moja odpoveď je, že návratnosť neexistuje. Jednoducho nie je. U nás turbína nevyrobí ročne toľko energie, aby sa zaplatila skôr, ako sa rokmi opotrebuje. Môže ale byť vhodným doplnkom fotovoltaiky, napr. ostrovného systému. Hlavne v zimných mesiacoch. Takým vhodným doplnkom ale môže byť aj benzínový generátor s ktorým bude jediná starosť - dolievanie benzínu. Takže toto je jednoducho len vecou priorít, preferencií, alebo hoci svetonázoru.

     Samotné náklady sa budú vždy diametrálne líšiť v závislosti od veľkosti a zložitosti systému.  Ako som spomínal vyššie, malý Savonius na dobíjanie vlastných strát baterky nemusí stáť skoro nič, ale aj robota (výkon) bude taký. Viac od neho ani nečakáme. Ak chceme viac, to už zadarmo byť nemôže. Potom už treba počítať s regulátormi, pálením prebytočného výkonu alebo jeho presmerovaním do iných spotrebičov. A k tomu všetkému určite budeme chcieť aj vysoký stupeň bezpečnosti, takže rôzne istenia, brzdy (VAWT musí mat o jednu brzdu viac, pretože sa nedokáže vyhnúť zo smeru vetra ako HAWT), senzory vetra a to celé musí byť zautomatizované aby to fungovalo bez dozoru. No a samozrejme čím výkonnejšia turbína, tým väčši, výkonnejší a robustnejší musí byť každý z uvedených prvkov. Zhruba od 150-200 W to už začína byť seriózne, zariadenia do tohto limitu sa dajú považovať skôr za hračky pre veľkých chlapcov :-). 

      Aký je teda záver? Hádam, dobre si všetko premyslieť a zvážiť klady aj zápory. Práca s vetrom je niekedy aj dobrodružstvo. Na to treba aj trocha odvahy. A aj vôle, lebo prekážok tiež bude dosť. Nemusí to tak na prvý pohľad vyzerať, ale týmto článkom som chcel podporiť váš záujem o vietor. Ale aj úprimne upozorniť na možné problémy a sklamania zapríčinené neprimeranými očakávaniami. Veterné turbíny fungujú, ak je splnený základný predpoklad: Ak fúka dostatočný vietor! Som za veterné turbíny všetkými desiatimi. Ale nie bezhlavo. Sú limity, s ktorými treba počitať. Tou prvopočiatočnou môžu byť vaše veterné podmienky.

P.S.: Uznajte, že ja jednoducho nemôžem odporučiť použitie čisto len fotovoltaiky. Jej nesporné výhody sú: žiadne starosti. Nič nepočuť, nič sa mechanicky nemôže pokaziť, o nič sa netreba báť v silnom vetre, pretože sa nič nehýbe. A to je u mňa problém. Argumenty za veternú turbínu typu: v noci nesvieti, keď je zamračené nesvieti, v zime nesvieti... tie poznáme. Ale absencia pohybu, to je niečo iné! A dobre viem, že nie som sám, ktorý to tak chápe... :-) 

     Dúfam, že čítanie tohto dlhého článku vás príliš nevyčerpalo! Na regeneráciu je tu sľúbené video. Zvuk naplno!

(Ak sa vám priložené video nezobrazuje správne, nájdete ho na adrese: https://youtu.be/zBlIf5qC2Qs)