Aký užitočný výkon môže poskytnúť veterná elektráreň?

     10.5.2011 - Často sa stretávam s otázkami z ktorých vyplýva, že mnohí z čitateľov majú len nejasnú predstavu o možnom výkone malej veternej turbíny. Drvivá väčšina z nich optimisticky očakáva podstatne viac, ako umožňuje fyzika. Pretože chcieť 2 kW od VAWT s priemerom 1 m a takou istou výškou, navyše v slabom vetre, je jemne povediac nereálne. To, že sa o tom píše hneď na niekoľkých miestach týchto stránok, je už iná vec. 
     Rôzne iné hranice tak bohužiaľ vytvoria aj hranicu nášmu optimizmu.

      Základnú informáciu poskytuje nasledujúca tabuľka výkonu vetra pôsobiaceho na 1 m². Upozorňujem, že ide len o výkon vetra ako takého. Ak chcete vedieť koľko výkonu by teoreticky mohla dodať vaša turbína, bude potrebné dočítať tento článok až do konca. 

Výkon vetra vychádza zo vzťahu: P = 0.5 * S * ρ * v³

S - plocha [ m² ]; ρ - hustota vzduchu [ kg/m³]; v - rýchlosť vetra [m/s]

     Z tabuľky jasne vidieť dramatický nárast výkonu spôsobený výskytom tretej mocniny rýchlosti vo vzorci. 

     Pre výpočty v prvej tabuľke bola použitá hustota vzduchu pri teplote 15˚C. Hustota vzduchu by niekomu v tomto prípade mohla pripadať ako konštanta, ale nie je tomu celkom tak. Chladnejší vzduch je ťažší a výraznejšie rozdiely možno zaznamenať hlavne pri vyšších rýchlostiach vetra. Nasledujúca tabuľka ukazuje, že rozdiel výkonu vetra pri rôznych teplotách môže byť zaujímavý. 

     Pre úplnosť pridávam ešte aj tabuľku hustoty suchého vzduchu pri rôznych teplotách. Vlhkosť vzduchu má samozrejme tiež vplyv na výkon, pretože mení jeho hmotnosť a teda aj potenciálnu pohybovú energiu (pre zaujímavosť - na počudovanie, zvyšovaním vlhkosti vzduchu sa jeho hmotnosť znižuje). To už ale ďalej rozvádzať nebudeme. 

     To, čím sme sa zaoberali doteraz, bola len čistá energia vetra. Energia, ktorou vietor pôsobí na pevné prekážky určitej plochy, tu konkrétne na 1 m². Ale pozor! To nie je energia, ktorú môžete dostať z veternej turbíny zaberajúcej takú istú plochu. Veterné turbíny dokážu odobrať vetru len časť jeho energie. Istý pán Betz vypočítal, že maximálne môže ísť o 59,3% z celkovej energie vetra. Táto hranica sa volá Betzov limit.

     Navyše, rôzne typy veterných turbín sú na tom s množstvom energie ktorú dokážu vetru odobrať, resp. zúžitkovať, rôzne. Vedie klasická vrtuľa, ktorej účinnosť sa dnes vďaka pokrokovým technológiám a materiálom v najlepších prípadoch môže približovať k Betzovmu limitu 59%, najhoršie sú na tom turbíny využívajúce len tlak (napr. Savonius) - max 20%. Veľa záleží na kvalite konštrukcie. Turbíny Darrieus podľa kvality spracovania môžu dosiahnuť účinnosť okolo 40%.

    To ale ešte nie je všetko. Tu naše straty stále nekončia. Ak hovoríme o výrobe elektrickej energie, ďalšou ranou bude účinnosť alternátora. Tá sa v najlepších prípadoch pohybuje kdesi okolo 95%.  Ale štandardne budeme v číslach ako 70,80, alebo aj menej %. Straty predstavuje nielen mechanické trenie v ložiskách, ale najmä zohrievanie vinutí statora - stratové teplo. 

     Tak, koľko % nám zostáva? Napríklad z 1 m² pri rýchlosti vetra 10 m/s - z pôvodných 613 W energie vetra dobrá turbína Darrieus spracuje na mechanickú energiu 40%, čo je 245 W. A veľmi slušný alternátor s 80% účinnosťou dodá konečných 196 W elektrickej energie.  

     Ďalej si už len vypočítajte účinnú plochu vašej turbíny v m² (u vertikálnych turbín je to výška x priemer, u horizontálnych klasických vrtúľ je to plocha kruhu opísaného vrtuľou) a vynásobte 196 W. Dostanete pravdepodobný výkon vo wattoch pri vetre s rýchlosťou 10 m/s.

      Málo? Nuž, stará známa pravda - "nič nie je zadarmo" tu platí na 100%.