Větrné turbíny s vertikální osou: Globální pohled na inovace v obnovitelné energii

Zatímco svět hledá udržitelná energetická řešení, větrná energie se stala významným hráčem. Ačkoliv krajině dominují větrné turbíny s horizontální osou (HAWT), větrné turbíny s vertikální osou (VAWT) představují zajímavou alternativu, která nabízí jedinečné výhody a využití, zejména v městských a distribuovaných výrobních scénářích. Tento článek poskytuje komplexní přehled technologie VAWT z globálního pohledu, zkoumá její potenciál, výzvy a budoucí vyhlídky.

Co jsou větrné turbíny s vertikální osou?

Větrné turbíny s vertikální osou, jak název napovídá, mají hřídel rotoru uspořádanou svisle. Na rozdíl od turbín HAWT, které připomínají tradiční větrné mlýny a musí být natočeny proti větru, turbíny VAWT mohou přijímat vítr z jakéhokoli směru bez nutnosti přeorientování. Tato všesměrová schopnost je jedním z jejich klíčových rozlišovacích znaků.

Typy turbín VAWT

Turbíny VAWT existují v několika provedeních, z nichž každé má své vlastní charakteristiky:

• Darrieusovy turbíny: Vyznačují se zakřivenými lopatkami, které připomínají šlehač na vejce nebo tvar písmene C. Darrieusovy turbíny jsou známé svou vysokou účinností, ale často vyžadují externí napájení k rozběhu.
• Savoniovy turbíny: Tyto turbíny využívají k otáčení odporové síly a jsou vybaveny lopatkami nebo kbelíky, které zachycují vítr. Savoniovy turbíny jsou samostartovací a robustní, ale obecně méně účinné než Darrieusovy turbíny. Používají se pro aplikace s nižším výkonem.
• Giromill turbíny: Varianta Darrieusovy turbíny, giromilly používají rovné, svislé lopatky. Nabízejí rovnováhu mezi účinností a jednoduchostí.
• H-rotorové turbíny: Typ turbíny VAWT, která využívá rovné lopatky připevněné k centrálnímu stožáru. Podobně jako Giromill jsou H-rotory relativně jednoduché konstrukce a mohou být účinné.

Výhody větrných turbín s vertikální osou

Turbíny VAWT nabízejí několik výhod oproti tradičním turbínám HAWT, což je činí atraktivními pro specifické aplikace:

• Všesměrový příjem větru: Turbíny VAWT mohou zachytit vítr z jakéhokoli směru, což eliminuje potřebu natáčecích mechanismů (systémů, které orientují turbínu proti větru). To zjednodušuje konstrukci a snižuje údržbu.
• Nižší hladina hluku: Turbíny VAWT obecně produkují méně hluku než turbíny HAWT, což je činí vhodnějšími pro městské prostředí a oblasti citlivé na hluk.
• Škálovatelnost: Turbíny VAWT lze zmenšit pro malé aplikace, jako jsou obytné nebo komerční budovy, nebo zvětšit pro větší větrné farmy.
• Estetický vzhled: Mnoho designů VAWT je vizuálně přitažlivějších než HAWT, což je činí přijatelnějšími v městském prostředí. Některé designy jsou dokonce integrovány do architektury budov.
• Nižší rychlosti rozběhového větru: Některé designy VAWT, zejména Savoniovy turbíny, mohou začít vyrábět energii při nižších rychlostech větru ve srovnání s HAWT.
• Snadnější údržba: Generátor a převodovka (pokud je přítomna) jsou obvykle umístěny na úrovni země, což zjednodušuje údržbu a opravy ve srovnání s HAWT, kde jsou tyto komponenty vysoko ve vzduchu.
• Potenciálně nižší dopad na životní prostředí: Některé studie naznačují, že VAWT mohou mít menší dopad na ptáky a netopýry, ačkoliv v této oblasti je zapotřebí dalšího výzkumu.

Nevýhody větrných turbín s vertikální osou

Navzdory svým výhodám mají turbíny VAWT také určité nevýhody:

• Nižší účinnost: Obecně platí, že turbíny VAWT mají nižší aerodynamickou účinnost ve srovnání s HAWT. To znamená, že z větru získávají méně energie pro danou velikost rotoru.
• Složitá aerodynamika: Aerodynamika turbín VAWT může být složitější než u HAWT, což činí optimalizaci designu náročnou.
• Dynamické namáhání: Turbíny VAWT zažívají na svých lopatkách větší cyklické namáhání kvůli proměnlivým podmínkám větru, se kterými se setkávají během každé otáčky. To může vést k únavě materiálu a snížení životnosti.
• Omezená velikost: Zvětšování turbín VAWT na velikost velkých turbín HAWT představuje významné inženýrské výzvy, zejména pokud jde o strukturální integritu a dynamiku lopatek.
• Vyšší cena za kilowatt: Kvůli složitosti designu a nižší účinnosti mohou mít turbíny VAWT někdy vyšší cenu za kilowatt instalovaného výkonu ve srovnání s HAWT.

Globální využití větrných turbín s vertikální osou

Turbíny VAWT se nasazují v různých aplikacích po celém světě, což demonstruje jejich všestrannost a potenciál:

Městská větrná energetika

Jednou z nejslibnějších aplikací VAWT je v městském prostředí. Jejich schopnost přijímat vítr z jakéhokoli směru, nižší hladina hluku a esteticky příjemný design je činí ideálními pro instalaci na střechách, podél silnic a ve veřejných prostorech. Příklady zahrnují:

• Obytné budovy: Malé turbíny VAWT mohou být integrovány do obytných budov k poskytování doplňkové energie. Několik společností nabízí střešní systémy VAWT pro majitele domů.
• Komerční budovy: Větší turbíny VAWT lze použít k napájení komerčních budov, čímž se sníží jejich závislost na síti.
• Pouliční osvětlení: Turbíny VAWT lze kombinovat se solárními panely k napájení pouličního osvětlení, čímž se vytvářejí řešení osvětlení mimo síť.
• Telekomunikační věže: Turbíny VAWT mohou poskytovat energii pro telekomunikační věže, zejména v odlehlých lokalitách.

Příklady zahrnují nasazení ve městech jako Londýn (UK), New York (USA) a na různých místech v Číně, kde jsou turbíny VAWT testovány a integrovány do městské struktury.

Distribuovaná výroba

Turbíny VAWT jsou velmi vhodné pro aplikace distribuované výroby, kde se energie vyrábí blízko místa spotřeby. Tím se snižují přenosové ztráty a zvyšuje energetická bezpečnost. Příklady zahrnují:

• Vzdálené komunity: Turbíny VAWT mohou dodávat energii vzdáleným komunitám, které nejsou připojeny k síti.
• Farmy a zemědělské provozy: Turbíny VAWT lze použít k napájení farem, zavlažovacích systémů a dalších zemědělských provozů.
• Vojenské základny: Turbíny VAWT mohou poskytovat záložní energii pro vojenské základny a kritickou infrastrukturu.
• Ostrovní státy: Turbíny VAWT mohou přispět k energetické nezávislosti ostrovních států a snížit jejich závislost na dovážených fosilních palivech.

Země s rozsáhlými odlehlými oblastmi, jako je Austrálie, Kanada a Rusko, aktivně zkoumají technologii VAWT pro distribuovanou výrobu.

Hybridní systémy

Turbíny VAWT mohou být integrovány s jinými obnovitelnými zdroji energie, jako jsou solární panely a systémy pro ukládání energie, a vytvářet tak hybridní systémy, které poskytují spolehlivé a nepřetržité napájení. Příklady zahrnují:

• Větrně-solární hybridní systémy: Kombinace VAWT se solárními panely může poskytnout konzistentnější výkon, protože větrné a solární zdroje se často doplňují.
• Větrně-dieselové hybridní systémy: Ve vzdálených komunitách mohou turbíny VAWT snížit závislost na dieselových generátorech, což snižuje náklady na palivo a emise.
• Mikrosítě: Turbíny VAWT mohou být integrovány do mikrosítí, poskytovat energii pro lokalizovanou oblast a zvyšovat energetickou odolnost.

Mnoho výzkumných projektů po celém světě se zaměřuje na optimalizaci hybridních systémů, které zahrnují VAWT, například projekty v Indii, Africe a Jižní Americe.

Výzkum a vývoj

Probíhající výzkumné a vývojové úsilí se zaměřuje na zlepšení účinnosti, spolehlivosti a nákladové efektivity turbín VAWT. Klíčové oblasti výzkumu zahrnují:

• Aerodynamická optimalizace: Vývoj nových designů lopatek a aerodynamických profilů pro zvýšení záchytu energie.
• Materiálové vědy: Zkoumání nových materiálů, které jsou lehčí, pevnější a odolnější.
• Řídicí systémy: Vývoj pokročilých řídicích systémů pro optimalizaci výkonu turbíny a snížení namáhání.
• Výpočetní dynamika kapalin (CFD): Použití CFD simulací k lepšímu pochopení složité aerodynamiky VAWT a optimalizaci jejich designu.
• Testování a validace: Provádění terénních testů k ověření výkonu VAWT v reálných podmínkách.

Výzkumné instituce a univerzity po celém světě, včetně těch v Dánsku, Německu, Nizozemsku a Spojených státech, se aktivně podílejí na výzkumu VAWT.

Případové studie: Globální příklady nasazení VAWT

Několik úspěšných nasazení technologie VAWT demonstruje její potenciál:

• Budova Garrad Hassan, Bristol, UK: Na střechu budovy Garrad Hassan (nyní součást DNV GL) byla nainstalována větrná turbína s vertikální osou, aby poskytovala obnovitelnou energii pro budovu. To ukázalo proveditelnost integrace VAWT do městského prostředí.
• Pearl River Tower, Guangzhou, Čína: Ačkoli se nejednalo o turbíny VAWT napájející celou věž, integrované větrné turbíny byly designovým prvkem demonstrujícím potenciál pro větrnou energii integrovanou do budov. To ukazuje globální zájem o tento koncept.
• Různé off-grid instalace v Africe: Několik projektů nasadilo VAWT ve vzdálených afrických komunitách, aby poskytly energii pro školy, kliniky a domácnosti. Tyto projekty zdůrazňují potenciál VAWT pro distribuovanou výrobu v rozvojových zemích.
• Malé instalace VAWT v Japonsku: Kvůli omezenému prostoru a složitému terénu Japonsko prozkoumalo VAWT pro obytné a malé komerční aplikace, čímž prokázalo jejich přizpůsobivost v náročných prostředích.

Výzvy a příležitosti

Navzdory svému potenciálu čelí turbíny VAWT několika výzvám:

• Nákladová konkurenceschopnost: Snížení nákladů na VAWT je klíčové pro to, aby byly konkurenceschopné s HAWT a jinými obnovitelnými zdroji energie.
• Vnímání veřejností: Překonání negativních představ o účinnosti a spolehlivosti VAWT je důležité pro širší přijetí.
• Integrace do sítě: Zajištění bezproblémové integrace VAWT do elektrické sítě je zásadní.
• Standardizace a certifikace: Je zapotřebí vyvinout standardizované testovací a certifikační postupy pro VAWT, aby se vybudovala důvěra v tuto technologii.

Existují však také významné příležitosti:

• Rostoucí poptávka po obnovitelné energii: Rostoucí globální poptávka po obnovitelné energii vytváří příznivé prostředí pro VAWT.
• Technologický pokrok: Probíhající pokroky v materiálových vědách, aerodynamice a řídicích systémech zlepšují výkon a spolehlivost VAWT.
• Politická podpora: Vládní politiky a pobídky, které podporují obnovitelnou energii, pohánějí přijímání VAWT.
• Urbanizace: Rostoucí trend urbanizace vytváří nové příležitosti pro VAWT v městském prostředí.

Budoucnost větrných turbín s vertikální osou

Budoucnost VAWT vypadá slibně, přičemž probíhající výzkumné a vývojové úsilí se zaměřuje na zlepšení jejich výkonu, snížení nákladů a rozšíření jejich aplikací. Jak svět přechází na udržitelnější energetický systém, jsou turbíny VAWT připraveny hrát stále důležitější roli při výrobě čisté, obnovitelné energie, zejména v městském prostředí a scénářích distribuované výroby. Představují cenný kousek globální skládačky obnovitelné energie, doplňují stávající technologie a přispívají k diverzifikovanější a odolnější energetické budoucnosti.

Klíčové trendy ke sledování

• Větrné turbíny integrované do budov (BIWT): Zvýšená integrace VAWT do návrhů budov pro výrobu energie na místě.
• Pokročilé materiály: Použití kompozitních a dalších pokročilých materiálů ke zlepšení pevnosti lopatek a snížení hmotnosti.
• Integrace do chytrých sítí: Vývoj technologií chytrých sítí pro optimalizaci integrace VAWT do elektrické sítě.
• Hybridní systémy obnovitelné energie: Růst v nasazování hybridních systémů, které kombinují VAWT se solárními panely a ukládáním energie.

Závěr

Větrné turbíny s vertikální osou nabízejí jedinečný a cenný přístup k využívání větrné energie. Ačkoli nemusí zcela nahradit větrné turbíny s horizontální osou, jejich jedinečné vlastnosti z nich činí zajímavou volbu pro specifické aplikace, zejména v městských oblastech a scénářích distribuované výroby. S probíhajícím výzkumem, vývojem a podpůrnými politikami jsou turbíny VAWT připraveny hrát významnou roli v globálním přechodu k čistší a udržitelnější energetické budoucnosti. Jak se globální komunity snaží snížit svou uhlíkovou stopu a zvýšit energetickou bezpečnost, technologie VAWT představuje cenný nástroj v boji proti změně klimatu.