Fyzikální principy

Z energetického hlediska je možné využít kinetickou energii proudícího vzduchu k pohonu rotoru větrného stroje. Nejdůležitějším parametrem ovlivňující využití energie větru je jeho rychlost. Energie pohybující se hmoty vzduchu je přímo úměrná ploše, kterou vzduch protéká a druhé mocnině jeho rychlosti. Výkon protékající jednotkovou plochou je přímo úměrný hustotě vzduchu a třetí mocnině jeho rychlosti. Z uvedeného je zřejmé, že když se rychlost větru zvětší na dvojnásobek, vzroste výroba elektrické energie až osminásobně. Proto je velmi důležité, aby se stavěli větrné elektrárny na místech s relativně vysokou střední rychlostí větru.

Graf účinnosti větrných turbin

Lopatkám větrné turbíny odevzdává vítr jen část své energie. Teoreticky maximálně dosažitelnou účinnost větrné turbíny definoval ve své teorii v roce 1920 vědec Albert Betz na 59,26 %. Tohoto optimálního výkonu je dosaženo, když se rychlost vzduchu při průchodu turbínou sníží přibližně o třetinu. Reální účinnost větrné elektrárny je samozřejmě nižší a je ovlivněna konstrukčním řešením stroje, ztrátami na tření, nastavením úhlu lopatek a dalšími faktory.

Kromě hodnoty maximální účinnosti větrné turbíny je důležitý i koeficient ročního využití, udávající poměr odvedeného a teoreticky možného výkonu za rok. Obvykle se pohybuje kolem 20 %.

Výkon větrného motoru je možné spočítat podle následujícího vzorce:

Pm = 0,125 . Cp . ρ . v³ . π . D²

kde:
Pm = skutečný využitelný výkon (W),
Cp = výkonový součinitel (účinnost),
ρ = hustota vzduchu (kg/m³)
v = rychlost větru (m/s),
D = průměr vrtule (m).

Růst parametrů větrných turbín

Součinitel rychloběžnosti moderních turbín s horizontální osou dosahuje přibližně 6. To znamená, že při rychlosti větru 50 km/h je obvodová rychlost konců listů rotoru kolem 300 km/h. Při délce listu kolem 40 metrů vykoná rotor uvažované větrné turbíny přibližně 20 obrátek za minutu. To je ale hodně málo na to, aby byl hřídelí přímo poháněn elektrický generátor (ten potřebuje řádově víc než tisíc obrátek). Nevyhnutnou se v tomto případě stává převodovka, která zvyšuje obrátky na úkor točivého momentu. Existuje i varianta větrných elektráren bez převodovky, kde je speciální více pólový elektrický generátor spojen přímo s hlavní hřídelí turbíny.

1