24.5.2014 - Víchrica. Nebodaj silná víchrica, mohutná víchrica alebo dokonca orkán... To nie sú len posledné 4 stupne 12 stupňovej Beaufortovej stupnice sily vetra, ale pre nás, ktorí s vetrom radi koketujeme a staviame mu viac alebo menej rozvážne do cesty rôzne točivé stroje v snahe získať časť jeho energie, pre nás sú tieto 4 stupne nepríjemne reálnym problémom. Problémom, ktorý najprv spôsobí zmrznutie úsmevu na tvári, zmení ho na podivný úškrn, pridá tras rúk a búšenie srdca. Slabším povahám podlomí kolená...  Vo chvíľach, keď len bezmocne sledujú, ako si vetrisko robí s ich výtvorom čo sa mu zachce. A keď si spomenú, že treba aj dýchať, začnú sa aj ateisti modliť. Kto vie, či sa ráta aj modlitba sem-tam preložená nespisovnou frázou? Podľa mňa by sa mohla, aspoň na 50%. Lebo tie hrubosti sú len produktom bezmocnosti... Poznám to.

     Bezmocnosť. To je na tom to najhoršie a je to aj základ problému. Bezmocnosť je presne to, čomu sa treba za každú cenu vyhnúť. Ako sa vyhnúť bezmocnosti? Odpoveď je v rozklade toho slova. Musíme mať viac moci, aby sa tak ľahko neminula. Jednoduché napísať, zložitejšie urobiť. Ako vždy.  

     Len pre názornosť: Energia vetra pôsobiaca na plochu 1 m² pri rýchlosti 5 m/s je zhruba 75 W. Pri 10 m/s je to 600 W. Pri 15 m/s je to už 2000 W.  Pri 20 m/s úctyhodných 4900W. No a pri 25 m/s  9400 W a pri 30 m/s už nepríjemných 16250 W. Dôvodom takého prudkého nárastu je, že energia vetra rastie s treťou mocninou jeho rýchlosti. Pre lepšiu predstavu o tom, aká je to sila, si môžete uvedené výkony vydeliť číslom 746 a dostanete hodnotu v starých, ale zrozumiteľnejších konských silách.  A nechcem vidieť vrchol chatrného stožiara, kde je niečo, čo plochou predstavuje len jeden, jediný m², keď ho potiahne 21 koní... !

     Prvá zásada, ktorú predchádzajúci odstavec hádam dostatočne dôrazne zdôvodňuje je, že turbína musí v extrémnom vetre stáť. Pretože rýchlo sa otáčajúca turbína predstavuje pre vietor prekážku plného profilu, teda rovnajúcu sa premietanej ploche: výška krídel x priemer (u VAWT), resp. plocha kruhu opísaného krídlami (u HAWT). Je to obvykle oveľa viac, ako pri stojacej turbíne, kedy je aktuálny len súčet plôch jednotlivých krídel, u VAWT navyše rozostavených proti vetru pod nerovnakými uhlami. Slovko "obvykle" som použil preto, lebo u tlakových turbín typu Savonius to nie je celkom tak. Tu musíme počítať takmer s celou plochou (v x D), aj keď sa nepohybuje. Preto si treba extra dobre premyslieť, ako veľkého a ako pevného Savonia postavíme.

     Druhá zásada, ktorá neplatí len pre VAWT je, že v naozaj extrémnom vetre je lepšie, keď turbína stojí úplne. Pri elektrickom zabrzdení skratovaním alternátora sa totiž turbína bude stále pohybovať. Musí. Pomaly, ale predsa. Je to dané fyzikou. Konkrétne tým, že vznik brzdného efektu je podmienený pohybom. S turbínou rotujúce magnety vygenerujú v cievkach statora napätie, ktoré je vzápätí vďaka skratu použité na vygenerovanie magnetickej sily cievok statora, pôsobiacej proti sile magnetov. Čím ráznejší je pohyb, tým silnejšie je brzdenie. Tento pomalý pohyb nie je problém, ale platí to len po určitú hranicu rýchlosti vetra. Stalo sa mi, že pri nárazoch cez 25 m/s nabrala elektricky zabrzdená turbína otáčky až 40/min. To už je slušné, vzhľadom k tomu, že pri týchto otáčkach alternátor generuje cca 15V, ktoré sa tvrdým skratom celé premenia na teplo pri predpokladanom prúde do 20A. To môže byť až 300 W tepelného výkonu, ktorý skoro všetok zostane v statore a zohrieva ho. Napriek tomu, že vietor zohrievaný stator súčasne aj ochladzuje (ak nie je alternátor príliš zakrytovaný), mohlo by dlhodobé zahrievanie spôsobiť nakoniec aj poškodenie statora. Situáciu významne zhorší, ak máme nevhodný pomer výkonu vrtule k výkonu použitého alternátora. Aby bol alternátor schopný vrtuľu zabrzdiť, musí byť výkonnejší ako ona.  Inak je vo víchrici odsúdený k zhoreniu, ak ním budeme chcieť brzdiť a ani nezaručí, aby vrtuľa - turbína nenabrala privysoké otáčky. Toto bolo po a).
     Ďalej b). Tým, že sa turbína pomaly pohybuje, neustále mení parametre plochy, ktorú nastavuje sile vetra. Každé krídlo sa v každom momente stavia proti vetru pod iným uhlom. Takže nielen, že na stožiar pôsobia prudko premenlivé nárazy vetra, ešte aj samotná turbína tomu nasadzuje korunu a znásobuje tieto zmeny. Stožiar sa preto bude kývať viac, ako by musel.
      A ešte po c). Je tu ďalšia nepríjemnosť a tou je blesk. Pravdepodobnosť úderu blesku priamo do stožiara je síce relatívne malá, ale... aká malá? Aká veľká? Na tieto otázky odpovede jednoducho neexistujú. Ale poďme si skúsiť predstaviť, že to turbína na vrchole uzemneného stožiara predsa len naplno schytá. Zostane stator v poriadku? To je ďalšia otázka. Ale odpoveď tentokrát existuje: Je vysoko pravdepodobné, že nie. No a keď sa vyparí stator, alebo v ňom prehorí hoci len pár drôtikov, čo bude potom brzdiť turbínu? Nuž nič....  Kde skončia krídla? Pravdepodobe dosť ďaleko. 
     A tak sa konečne dostávame k pointe tejto druhej zásady. Ak chceme byť krok pred prízrakom bezmocnosti, turbína musí byť vybavená aj možnosťou mechanického zabrzdenia, alebo aspoň zaistenia. Rozdiel medzi zabrzdením a zaistením je v tom, že to druhé nie je možné zrealizovať, keď je už turbína v nekontrolovateľnom pohybe.  Ak sa rozhodnete, že vám stačí zaistenie, nikdy nezabudnite na tretiu zásadu.

     Tretia zásada je, snažiť sa vyhnúť problémom :-). Učení milovníci cudzizmov tomu hovoria profylaxia. Alebo v dobrej nálade prevencia. Ale v našom prípade je to najmä dôsledné sledovanie predpovedí počasia. Hlavne veterných podmienok. Mám dobré skúsenosti so SHMU.sk, konkrétne so systémom INCA alebo model ALADIN. Ak sa blíži niečo veľké, obyčajne je možné dozvedieť sa to s dostatočným predstihom, aby bolo možné urobiť nevyhnutné opatrenia. Od priviazania, zadrôtovania, privarenia... (pripravenejší len zatiahnu páku brzdy alebo poistky), po sklopenie stožiara alebo demontáž turbíny, ak je to naozaj vážne a ak sa to dá. Treba zvážiť a radšej sa báť viac, ako menej.

     No a nakoniec, SHMU.sk samozrejme nevie úplne všetko. Napríklad taká kvalitná miestna búrka z tepla dokáže tiež narobiť divy a v predpovedi nebude. A my sa tiež niekedy flákame mimo domov... toto by mohla zvládnuť aj nejaká automatika, ale o nej zasa nie je tento článok. Niekedy nabudúce budeme ešte pokračovať v tejto téme priatelia.

     Ešte aspoň niečo k obrázkom v článku. Na prvom z hora vidieť turbínu čerstvo priviazanú 2 cm širokým a naozaj pevným polyesterovým popruhom. Keď som ho uväzoval, fúkalo v nárazoch cez 15 m/s. Pretože turbína neustále veľkou silou ťahala, nepodarilo sa mi to urobiť dostatočne "na tesno". Prílišná vôľa a ostré hrany ramena krídla spôsobili zhruba po 10 hodinách pretrhnutie popruhu. Druhý obrázok je z nasledujúceho dňa, keď roztrhnutý popruh držal turbínu len vďaka tomu, že uzol na ňom (pre premýšľavé typy - uzlov bolo viac, popruh bol spojený z troch kusov) sa zakliesnil medzi stredovú os a viac ako 1 cm od nej vzdialenú maticu, držiacu turbínu na alternátori. Ja nechápem ako to mohlo držať, ale držalo. Keď som to nasledujúci deň išiel odviazať, stačilo uzlík zdvihnúť centimeter hore a bolo to. Neuveriteľné... ako sa tomu hovorí? Viac šťastia ako .... no, nechajme to ... :-) Tretí obrázok je detail predraného popruhu a zázračného uzlíka, no a tento štvrtý vľavo je výrez z grafu meteostanice s rýchlosťou vetra (šedá - priemerný, červená - nárazy) hovoriaci za všetko.

     Nasledujúce video pozerajte so zvukom. Turbína je mechanicky zaistená vo víchrici 15.5.2014. Nárazy vetra 24 - 26 m/s, priemerná rýchlosť vetra 18 m/s v dobe natáčania videa. Započúvajte sa, pridajte hlasitosť... a ten roztrhnutý popruh zázrakom drží...  nie je to dôkaz, že vari by aj 50% mohlo stačiť :-)