NÁVRH MALÉ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY SE SAVONIOVÝM ROTOREM

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING NÁVRH MALÉ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY SE SAVONIOVÝM ROTOREM BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR PETR FOLTÝN BRNO 2009

Licenční smlouva

Bibliografická citace práce: FOLTÝN, P. Návrh malé větrné elektrárny se Savoniovým rotorem. Bakalářská práce. Brno: Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně, 2009, 54 stran. Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu. Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Zdeňku Procházkovi za cenné připomínky a rady při tvorbě této práce. Také bych rád poděkoval svým rodičům za celkovou podporu při studiu na vysoké škole.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky Bakalářská práce Návrh malé větrné elektrárny se Savoniovým rotorem Petr Foltýn vedoucí: Ing. Zdeněk Procházka Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně, 2009 Brno

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Electrical Power Engineering Bachelor s Thesis Design of small Wind Turbine System with Savonius Rotor by Petr Foltýn Supervisor: Ing. Zdeněk Procházka Brno University of Technology, 2009 Brno

Abstrakt 9 ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá návrhem konstrukčního řešení větrné elektrárny se Savoniovým rotorem. V první části je souhrn teoretických poznatků, které mají vést k optimální konstrukci větrného energetického zdroje. V druhé části je vypracován konkrétní návrh malé větrné elektrárny včetně 3D modelu a konstrukčních výkresů zpracovaných v programu Autodesk Inventor Professional 2009. KLÍČOVÁ SLOVA: Savoniův rotor; větrné turbíny; alternativní zdroj energie; větrná energie; návrh větrné elektrárny

Abstract 10 ABSTRACT This Bachelor s thesis deals with proposal of constructional solving of wind turbine system with Savonius rotor. In the first part, thesis includes complex theoretic knowledge, that make for optimal construction wind energy source. In the second part, the concrete proposal of small wind turbine system has been drawn up, including 3D model and constructional drawings in Autodesk Inventor Professional 2009. KEY WORDS: Savonius rotor; wind turbines; alternative energy source; wind energy; design of wind turbine system

Obsah 11 OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ...13 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK...15 1 ÚVOD...16 2 ZÁKLADY VYUŽITÍ ENERGIE VĚTRU...17 2.1 VZNIK VĚTRU...17 2.2 PŘEMĚNA ENERGIE VĚTRU NA JINÉ DRUHY ENERGIÍ...17 2.3 VÝKON VĚTRU...19 3 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY...20 3.1 DĚLENÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN PODLE AERODYNAMICKÉHO PRINCIPU...20 3.1.1 VĚTRNÉ ROTORY PRACUJÍCÍ NA VZTLAKOVÉM PRINCIPU...20 3.1.2 VĚTRNÉ ROTORY PRACUJÍCÍ NA ODPOROVÉM PRINCIPU...23 3.2 DĚLENÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN PODLE TYPU GENERÁTORU...25 3.2.1 STEJNOSMĚRNÉ...25 3.2.2 ASYNCHRONNÍ...25 3.2.3 SYNCHRONNÍ...25 4 POMALOBĚŽNÉ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY...26 4.1 SAVONIŮV ROTOR...27 4.1.1 ZÁKLADNÍ ÚDAJE...27 4.1.2 JEDNOSTUPŇOVÝ SAVONIŮV ROTOR...28 4.1.3 DVOU A VÍCE STUPŇOVÝ SAVONIŮV ROTOR...29 4.1.4 PRŮTAŽNÝ TŘÍLOPATKOVÝ ROTOR...30 4.1.5 SPIRÁLOVÝ ROTOR...31 5 ZJEDNODUŠENÝ NÁVRH VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY SE SAVONIOVÝM ROTOREM...32 5.1 NÁVRH ROTORU...32 5.1.1 CELKOVÝ ROZMĚR ROTORU...33 5.1.2 PŘEPOČTENÉ PARAMETRY ROTORU...35 5.1.3 PŘESAZENÍ A GEOMETRIE LOPATEK...35 5.1.4 PRŮMĚR CENTRÁLNÍ PRŮCHOZÍ HŘÍDELE...36 5.1.5 VÝŠKA JEDNOHO STUPNĚ ROTORU...37 5.1.6 OTÁČKY ROTORU...37 5.1.7 KROUTÍCÍ MOMENT ROTORU...38 5.2 KONSTRUKCE ROTORU...38 5.2.1 DOLNÍ STUPEŇ ROTORU...39 5.2.2 MEZISTUPEŇ ROTORU...40 5.2.3 HORNÍ STUPEŇ ROTORU...40 5.2.4 HNACÍ UNÁŠEČ...40 5.2.5 VODÍCÍ UNÁŠEČ...40 5.2.6 CENTRÁLNÍ HŘÍDEL...41 5.3 NÁVRH GENERÁTORU...42 5.4 NÁVRH BRZDY ROTORU...43

Obsah 12 5.5 NÁVRH KONSTRUKCE PRO UCHYCENÍ CELÉ SESTAVY...44 5.5.1 UCHYCENÍ ROTORU...45 5.5.2 UCHYCENÍ BRZDY...47 5.5.3 UCHYCENÍ GENERÁTORU...48 6 ZÁVĚR...50 6.1 SOUČASNÝ STAV DANÉ PROBLEMATIKY...50 6.2 SHRNUTÍ NABYTÝCH POZNATKŮ A VÝSLEDKY PRÁCE...50 6.3 MOŽNOSTI DALŠÍHO POSTUPU PRÁCE...51 POUŽITÁ LITERATURA...52 PŘÍLOHA A CELKOVÉ ROZMĚRY ROTORU...53 PŘÍLOHA B PŘÍLOHA C PŘÍLOHA D KONSTRUKČNÍ VÝKRES DOLNÍHO STUPNĚ ROTORU...54 KONSTRUKČNÍ VÝKRES MEZISTUPNĚ ROTORU...54 KONSTRUKČNÍ VÝKRES HORNÍHO STUPNĚ ROTORU...54

Seznam obrázků 13 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 2-1 Schéma hlavních směrů větru na zeměkouli [1]...17 Obr. 2-2 Možnosti využívání energie větru počínaje přeměnou energie, přes transport a skladování až k použití [4]...18 Obr. 2-3 Výkon pohybujícího se vzduchu vztažený na plochu 1m 2, kterou vzduch prochází. Výkon větru stoupá se 3. mocninou rychlosti větru [1]...19 Obr. 3-1 Uspořádání vrtulí větrných rotorů: a) jednolistá s protizávažím; b) dvoulistá; c) třílistá [5]...21 Obr. 3-2 Rotor moderního větrného čerpadla se šesti plechovými lopatkami [5]...22 Obr. 3-3 Větrné kolo tzv. amerického větrového rotoru [5]...22 Obr. 3-4 Darrieův rotor [5]...22 Obr. 3-5 Darrieus se Savoniovým rotorem [6]...22 Obr. 3-6 Darrieův rotor typu giromill [5]...23 Obr. 3-8 Darrieův rotor s prizmatickými listy [5]...23 Obr. 3-7 Darrieův rotor ve tvaru písmene H [5]...23 Obr. 3-9 Taawin Roswell celkový pohled na VTE [7]...24 Obr. 3-10 Taawin Roswell detail pohonné jednotky [7]...24 Obr. 4-1 Součinitel účinnosti různých větrných konvertorů jako funkce rychloběžnosti [5]...26 Obr. 4-2 Horizontální uspořádání rotorů (musí být napříč k hlavnímu směru větru) [8]...27 Obr. 4-3 Vertikální uspořádání rotorů [8]...27 Obr. 4-4 Jednostupňový Savoniův rotor...28 Obr. 4-5 Savoniův rotor natočený rovnoběžně se směrem větru...28 Obr. 4-6 Dvoustupňový Savoniův rotor...29 Obr. 4-7 Horní výkyvné uložení na křížovém kloubu [8]...29 Obr. 4-8 Dvojité uložení procházející hřídele [8]...29 Obr. 4-9 Struktura dvoustupňového Savoniova rotoru [8]...30 Obr. 4-10 Průtažný třílopatkový Savoniův rotor: a) pohled z boku (rotor vsazený do podpěrného rámu), b) pohled shora [8]...31 Obr. 4-11 Spirálový rotor [6]...31 Obr. 4-12 Spirálový rotor na bóji [6]...31 Obr. 5-1 Experimentální křivky koeficientu výkonu (c p ) a momentu (c m ) Savoniova rotoru [6]...32 Obr. 5-2 Celkové rozměry rotoru...34 Obr. 5-3 Přesazení lopatek s centrální hřídelí [6]...36 Obr. 5-4 Celkový vzhled a uspořádání navrženého rotoru...38

Seznam obrázků 14 Obr. 5-5 Materiál pro spojení stupňů a spojení rotoru s unášečem...39 Obr. 5-6 Dolní stupeň rotoru...39 Obr. 5-7 Hnací unášeč...40 Obr. 5-8 Detail vodícího unášeče...41 Obr. 5-9 Centrální hřídel...41 Obr. 5-10 Hlavní svár hnacího unášeče s centrální hřídelí...42 Obr. 5-11 Pomocný (jemný) svár...42 Obr. 5-12 Kotoučová brzda Winzip Max-HD 180/203 [13]...43 Obr. 5-13 Brzdový kotouč Winzip WR-203 [13]...43 Obr. 5-14 Celá sestava i s nosnou konstrukcí...45 Obr. 5-15 Horní kříž s domkem a ložiskem...45 Obr. 5-16 Uložení centrální hřídele v horním kříži...46 Obr. 5-17 Dolní kříž s domkem pro ložiska (pohled shora)...46 Obr. 5-18 Dolní kříž (pohled zdola)...47 Obr. 5-19 Uchycení brzdného systému...47 Obr. 5-20 Uchycení generátoru...48 Obr. 5-21 Pružné spojky EVK [15]...48 Obr. 5-22 Přehled pružných spojek EVK [15]...49 Příloha A Celkové rozměry rotoru...53

Seznam symbolů a zkratek 15 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK A plocha rotoru (m 2 ) D celková šířka rotoru (m) H celková výška rotoru (m) M k P P g R VD VTE kroutící moment rotoru (Nm) výkon větru (W) výkon generátoru (W) celkový poloměr rotoru (m) vyhodnocovací elektronická diagnostika větrná elektrárna c m koeficient momentu (-) c p koeficient výkonu (-) d průměr jedné lopatky rotoru (m) d a d amax e el. f h mld. průměr procházející centrální hřídele (m) maximální průměr procházející centrální hřídele (m) velikost přesazení lopatek rotoru (m) elektrický frekvence (Hz) výška jednoho stupně rotoru (m) miliarda n otáčky rotoru (s -1 ) p počet pólových dvojic (-) u obvodová rychlost rotoru (m. s -1 ) v rychlost větru (m. s -1 ) α parametr rotoru (-) η g účinnost generátoru (-) ρ hustota vzduchu (kg. m -3 ) λ součinitel rychloběžnosti (-) ω úhlová rychlost (rad. s -1 ) euro

1 Úvod 16 1 ÚVOD Výzkum ve větrné energetice jde stále kupředu. Neustále se vyvíjí nové typy větrných konvertorů, které umí mnohem dokonaleji využít větrnou energii, než jejich předchůdci. Z tohoto důvodu jsou mnohem atraktivnější a samozřejmě žádanější. Bohužel mají také svou zápornou stránku a tou je jejich často velmi vysoká cena, tím pádem se stávají pro běžného člověka nedostupnými. Na českém trhu chybí nabídka malých, levných a jednoduchých větrných elektráren. Toto prázdné místo by do budoucna mohl vyplnit Savoniův rotor jako levná varianta větrného zdroje. Sice nedosahuje tak velkých výkonů a účinností jako např. vrtulové rotory, ale jeho výsadou je hlavně nízká pořizovací cena, jednoduchá stavba a dlouhá životnost. Navíc větrné konvertory se Savoniovým rotorem nemusí být využívány pouze pro výrobu elektrické energie, ale dají se použít pro pohon čerpadel vody, kompresorů atd. Jak je vidět, uplatnění Savoniova rotoru je opravdu různorodé. Cílem předkládané práce je vytvoření podkladů pro stavbu větrné elektrárny se Savoniovým rotorem a posléze navrhnout Savoniův větrný rotor tak, aby výstupní výkon z generátoru byl okolo 300W elektrických při rychlosti větru 15 m/s. Dále zjednodušeně navrhnout generátor pro dané otáčky rotoru, navrhnout způsob brzdění rotoru při velkých rychlostech větru, popř. jeho úplné zabrzdění, a v závěru zjednodušeně navrhnout uchycení celé sestavy (rotoru, generátoru a brzdy) v nespecifikované věžové konstrukci. První kapitola je věnována základům využití větrné energie. Druhá kapitola se zaměřuje na dělení větrných elektráren a porovnání jednotlivých druhů mezi sebou. Na ni navazuje kapitola, která je zaměřena pouze na Savoniův rotor a jeho jednotlivé typy (popis konstrukce, výhody/nevýhody apod.). Čtvrtá kapitola je stěžejní částí celé práce, neboť se zabývá konkrétním zjednodušeným návrhem větrné elektrárny se Savoniovým rotorem. Závěrem je zhodnocení současného stavu týkajícího se této problematiky a celkové zhodnocení výsledků a přínosů této bakalářské práce.

2 Základy využití energie větru 17 2 ZÁKLADY VYUŽITÍ ENERGIE VĚTRU 2.1 Vznik větru Málokterý energetický zdroj je tak všudypřítomný a v tak velkém množství jako větrná energie. Bohužel právě větrná energie je také nejvíce nestálou a nevyzpytatelnou energií jakou známe. [1] Za veškerý život na Zemi a stejně i za vítr vděčíme Slunci. Sluneční záření nestejnoměrně zahřívá zemský povrch a nad ním ležící vzduchové vrstvy. Zahřátý vzduch díky menší hustotě stoupá vzhůru, tím pádem se uvolňuje místo pro klesající, studenější vzduch, který má větší hustotu (je těžší) než vzduch ohřátý. Z toho plyne, že vítr je pohyb vzduchu způsobený rozdíly atmosférického tlaku (a rychlost větru závisí na velikosti rozdílu těchto tlaků). [2] Díky tomu, že se Země otáčí kolem své osy, působí na vzduchovou vrstvu ještě další síly. Skutečná rychlost, velikost a směr větru je potom výslednicí všech sil působících na vzduchovou vrstvu. [3] Obr. 2-1 Schéma hlavních směrů větru na zeměkouli [1] 2.2 Přeměna energie větru na jiné druhy energií Větrná energie je energií, která nic nestojí a je zcela ekologická. Proto se ji lidé snaží využít a převádět na jiné druhy energie. Převádění větrné energie na jinou energii se provádí pomocí větrných konvertorů (např. rotor větrné elektrárny), které se umisťují na vhodných místech a které jsou speciálně přizpůsobeny právě pro proudění vzduchu. Téměř všechny větrné konvertory používají při odebírání energie z větru stejný fyzikálnětechnický princip a to buď odporový, nebo vztlakový. [4] Při odporovém principu se vítr opírá do lopatky rotoru (lopatka může mít např. miskovitý tvar), která mu klade odpor. Tím je vyvíjena síla, která roztočí rotor větrné elektrárny (dále jen VTE). Na tomto principu funguje např. Savoniův rotor.

2 Základy využití energie větru 18 Při vztlakovém principu vítr obtéká lopatku, která má většinou tvar letecké vrtule. Obtékáním vzduchu kolem lopatky vzniká vztlaková síla, pomocí které se roztočí rotor VTE. Na tomto principu pracují např. klasické VTE s vodorovnou osou otáčení. 1 Takto přeměněná energie větru na mechanickou energii rotačního pohybu se může rovnou spotřebovávat v určitém mechanickém zařízení např. ve vodním čerpadle, kompresoru, atd. V tomto případě se převádí rotační energie rotoru VTE na dané zařízení přímo pomocí hřídele, popř. doplněné klínovými či řetězovými převody, nebo také tzv. šnekovým převodem. Jiný druh přeměny rotační energie rotoru, v dnešní době nejvíce využívaný, je na energii elektrickou pomocí generátoru. Princip je prakticky stejný jako v předchozím případě, pouze se na místo daného mechanického zařízení vloží generátor, který umí převést rot. energii na energii elektrickou. Elektrická energie se považuje za ideální energii, která jde snadno převádět na jiné druhy energie (mechanickou např. točivé stroje, tepelnou topné články, atd.), popř. jde akumulovat v různých formách energie (v bateriích, v palivových článcích pomocí elektrolýzy, atd.). Na Obr. 2-2 je znázorněné použití větrného zařízení pro různé účely počínaje přeměnou energie, přes transport a skladování až k použití. Obr. 2-2 Možnosti využívání energie větru počínaje přeměnou energie, přes transport a skladování až k použití [4] 1 Pro lepší názornost ještě doplním, že na stejném principu pracují také letedla, jejichž nosná křídla jsou obtékaná vzduchem, což způsobuje vztlakovou sílu, která udržuje letadla ve vzduchu.

2 Základy využití energie větru 19 2.3 Výkon větru Největším problémem větrné energie je kolísání výkonu. Tento výkon (P) se dá vypočítat z dané vzduchové hmoty (ρ), plochy (A), kterou tato hmota projde za jednotku času, a rychlosti jejího proudění (v). 2 [1] V matematickém zápisu tedy platí: P 1 2 3 = ρ A v (W; kg/m 3 ; m 2 ; m/s) (2.1) Obr. 2-3 Výkon pohybujícího se vzduchu vztažený na plochu 1m 2, kterou vzduch prochází. Výkon větru stoupá se 3. mocninou rychlosti větru [1] Z rovnice (2.1) vyplývá, že výkon vzduchu protékající jednotkovou plochou 1m 2 je přímo úměrný hustotě vzduchu a třetí mocnině rychlosti větru. 2 Při normálních podmínkách je hustota vzduchu 1,293 kg/m 3.

3 Větrné elektrárny 20 3 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Lidé se snažili využívat větrnou energii již odpradávna. V Persii byly objeveny zbytky větrných mlýnů staré 4000 let. Z tohoto lze zase vyvodit, že první pokusy o využití větru jsou ještě staršího data. Také v Evropě byly větrné mlýny až do 19. století hojně rozšířeny. Okolo roku 1850 bylo v Evropě v činnosti asi 200 000 větrných mlýnů. [1] První mlýn postavený na území Čech, Moravy a Slezska je datovaný v roce 1277 v zahradě Strahovského kláštera v Praze. Na našem území byla větrná energie nejvíce využívána v 18. a 19. století, kdy zde mlelo přes 900 větrných mlýnů. [5] Zatímco větrné mlýny postupem času ztrácely na významnosti, neboť byly stále více vytlačovány vznikajícími elektrickými mlýny, objevily se na začátku 20. století první větrné mlýny na výrobu elektrické energie. VTE lze dělit podle mnoha kritérií. Nejzákladnější dělení je podle aerodynamického principu, osy rotace rotoru (vodorovná/svislá osa otáčení), velikosti VTE a podle typu generátoru. My si VTE rozdělíme pouze podle aerodynamického principu a typu generátoru, neboť toto dělení je pro naši pozdější práci nejvýznamnější. 3.1 Dělení větrných elektráren podle aerodynamického principu VTE pracují na dvou možných principech přeměny energie větru na energii rotačního pohybu a posléze na energii elektrickou a to buď na vztlakovém, nebo odporovém principu (viz kapitola 2.2). [5] 3.1.1 Větrné rotory pracující na vztlakovém principu a) Vrtule Základní údaje: mají vodorovnou osu otáčení musí být natáčeny do směru (po směru) větru jedná se o rychloběžný typ rotoru, může dosahovat až rychloběžnosti λ 10 maximální dosažitelná účinnost je až 45 % a této účinnosti dosahuje při rychloběžnosti λ 6 počet listů je 2 až 4, avšak byly vyrobeny i jednolisté s protizávažím (Obr. 3-1) používají se pro výrobu 3fázového elektrického proudu [5] Výhody: díky štíhlým lopatkám rotoru dosahuje velké rychloběžnosti, tedy i velkých otáček oproti jiným VTE dosahuje mnohem větších účinností hodí se pro stavbu VTE s velkým výkonem, tudíž může pracovat do sítě díky štíhlým lopatkám rotoru i tubusu (stožáru) nepůsobí vzhledem ke svým rozměrům příliš robustně lépe zapadne do krajiny

3 Větrné elektrárny 21 Nevýhody: kvůli neustálému natáčení rotoru do směru (po směru) větru je třeba speciálního zařízení - gondoly, které je velice nákladné a bývá častým zdrojem poruch stavba této VTE je finančně nákladnější Obr. 3-1 Uspořádání vrtulí větrných rotorů: a) jednolistá s protizávažím; b) dvoulistá; c) třílistá [5] b) Větrné kolo Základní údaje: má vodorovnou osu otáčení musí být natáčené do směru (po směru) větru jedná se o pomaloběžný typ rotoru účinnost dosažená u tohoto rotoru je 20 43 % a maximální účinnosti dosahuje při rychloběžnosti λ 0,9 počet lopatek bývá 12 až 24 průměr lopatkového kola bývá 5 až 8m využívá se pro výrobu el. proudu, čerpání vody a pro jiné nízkootáčkové stroje [5] Výhody: díky velkému počtu lopatek má velký rozběhový moment (vhodné pro čerpadla atd.) tento druh rotoru je finančně málo nákladný, protože lopatky jsou nejčastěji vyrobeny z ohnutého plechu Nevýhody: kvůli velkému počtu lopatek dosahuje malé rychloběžnosti, tedy i malých otáček není moc vhodné pro výrobu el. proudu (díky malým otáčkám) při výrobě el. proudu je nejlepší použít generátor s permanentními magnety, který má ovšem vyšší pořizovací cenu

3 Větrné elektrárny 22 Existují různé typy lopatkových kol, např. tzv. americký typ větrného kola s větším počtem lopatek, tradiční větrné kolo na čerpání vody, atd. [5] Obr. 3-2 Rotor moderního větrného čerpadla se šesti plechovými lopatkami [5] Obr. 3-3 Větrné kolo tzv. amerického větrového rotoru [5] c) Darrieův rotor Základní údaje: má svislou osu otáčení má 2 až 4 listy, které mají aerodynamický profil a jsou tvarovány tak, aby jejich namáhání odstředivými silami bylo co nejmenší dosahuje účinnosti až 38 % využívá se pro výrobu střídavého i stejnosměrného el. proudu Výhody: rotor není potřeba natáčet do směru větru má zajímavý, elegantní tvar Nevýhody: v praxi se příliš neuplatnil, protože u tohoto rotoru dochází k velkému dynamickému namáhání, které velmi snižuje životnost VTE má malou výšku rotoru nad terénem, tedy pracuje s menší rychlostí větru Darrieův rotor není vždy schopen se sám roztočit, proto se v některých případech rozběh zajišťuje jiným typem rotoru, nejčastěji Savoniovým. V tomto případě jsou oba rotory uchyceny na stejné hřídeli (Obr. 3-5). [6] Obr. 3-4 Darrieův rotor [5] Obr. 3-5 Darrieus se Savoniovým rotorem [6]

3 Větrné elektrárny 23 Darrieus zkonstruoval a patentoval i další typy vertikálních profilů listů rotorů. Jsou jimi např. tzv. giromill (Obr. 3-6), profil ve tvaru písmene H (Obr. 3-7) nebo rotor s prizmatickými listy (Obr. 3-8). Jedná se o rotory, ve kterých byla dlouhá vejcovitá křídla nahrazena rovnými svislými listy připevněnými na hlavní stožár vodorovnými podporami. [5] Rotory typu giromill jsou jednodušší na stavbu, ale křídla mají větší hmotnost. Konstrukční uspořádání rotoru s prizmatickými listy umožňuje změnou náklonu křídel měnit pracovní plochu a tím regulovat výkon VTE. Tohoto se nejčastěji využívá při velkých rychlostech větru. Obr. 3-6 Darrieův rotor typu giromill [5] Obr. 3-7 Darrieův rotor ve tvaru písmene H [5] Obr. 3-8 Darrieův rotor s prizmatickými listy [5] 3.1.2 Větrné rotory pracující na odporovém principu a) Savoniův rotor Jelikož je tato práce zaměřena hlavně na Savoniův rotor, proto je pro tento druh rotoru vyhrazena samostatná kapitola (kapitola 4.1), ve které si Savoniův rotor a jeho jednotlivé typy rozebereme mnohem podrobněji. b) Rotor Taawin Roswell Jedná se o světovou novinku v oblasti větrných rotorů pracujících na odporovém principu, který byl vynalezen a patentovaný v ČR. [7] Základní údaje: pracuje se svislou osou otáčení má 12 klapek (žaber) může mít 1 až 3 rotující části nad sebou, přičemž prostřední těleso rotuje v protisměru maximální otáčky pohonné jednotky jsou 180 ot./min

3 Větrné elektrárny 24 počáteční provozní rychlost větru je 2 m/s; maximální rychlost větru je neomezená špičkového výkonu 15 kw (vztaženo k jedné rotující části) dosahuje při rychlosti větru nad 16 m/s používá se pro výrobu střídavého el. proudu dodávaného do sítě, avšak dá se použít k čemukoliv k pohonu kompresorů, čerpadel, atd. Výhody: bezhlučný provoz možnost stavby v hustě osídlených oblastech extrémně nízký boční odpor celého stroje použití pro neomezenou rychlost větru nevytváří stroboskopický efekt velice bezpečné zařízení Nevýhody: nejsou známy Vlastní práce tělesa je založena na bezztrátovém odporovém principu. Princip činnosti je citován ze zdroje [7]: Vlastní výkon a proporcionální řízení výkonu pohonné jednotky ( UFO ) je docílen lineárním zvedáním žaber (klapek), otvíraných mírně zakřivených výklopných ploch, vždy na jedné polovině tělesa v závislosti na směru větru a také na poloze, ve které se klapky nacházejí. Mechanický systém otevírání a zavírání je bezkontaktní a neopotřebovává se. Při nízkých rychlostech větru lze docílit zvýšení výkonu paralelním otevíráním spodních klapek. V extrémních větrných podmínkách jde zavřením všech klapek stroj bezpečně zastavit v jakémkoliv režimu a plynulou elektronickou regulací odporových klapek lze odebírat požadovaný elektrický výkon i při extrémních rychlostech větru zcela bezpečně. Proces může být plně automatický. Obr. 3-9 Taawin Roswell celkový pohled na VTE [7] Obr. 3-10 Taawin Roswell detail pohonné jednotky [7]

3 Větrné elektrárny 25 3.2 Dělení větrných elektráren podle typu generátoru 3.2.1 Stejnosměrné vhodné pro mikroelektrárny nejčastější výstupní napětí je 12 V nebo 24 V [5] zpravidla se vyrábějí jako 2-pólové stroje, takže svých jmenovitých hodnot dosahují při vysokých otáčkách (3000 ot./min) [8] jelikož dodávají stejnosměrný proud, lze je přímo spojit s baterií pokud se pomocí generátoru nabíjí baterie, je potřeba do obvodu zařadit blokovací diodu, která zabraňuje tomu, aby za bezvětří nebo při velmi nízkých otáčkách rotoru protékal proud z baterie do generátoru a poháněl ho jako motor vzhledem k provedení ložiska a kvůli opotřebování uhlíkových kartáčů nejsou vhodné pro celoroční nepřetržitý provoz 3.2.2 Asynchronní vyrábějí střídavý proud a napětí při připojování k síti nepotřebují složitý připojovací systém [5] vždy musí pracovat do sítě 3.2.3 Synchronní vhodné pro všechny typy VTE vyrábějí střídavý proud, který lze snadno usměrnit pomocí usměrňovače mají velkou účinnost a dokážou pracovat s širokým rozsahem rychlostí větru vyrábějí se buď s cizím buzením, nebo s permanentními magnety, mohou být vícepólové; v provedení s permanentními magnety není zapotřebí kroužků a sběrných kartáčů, tudíž kromě dvou ložisek zde nejsou žádné pohyblivé součástí podléhající rychlému opotřebení [8] U generátorů s permanentními magnety není magnetické pole, nutné pro výrobu el. proudu, buzeno vinutím protékané el. proudem, nýbrž právě permanentními magnety. Tím odpadá spotřeba proudu vinutím elektromagnetů, která při nízkých otáčkách generátoru (při malých rychlostech větru) může být vyšší než vyráběná užitečná energie. [8] Co se týče generátorů vhodných pro Savoniův rotor, tak mezi ně patří hlavně vícepólové synchronní generátory s permanentními magnety. V druhé řadě jsou to stejnosměrné generátory taktéž s permanentními magnety. Generátory by měly být vícepólové z toho důvodu, protože se Savoniův rotor řadí všeobecně mezi pomaloběžné rotory, tedy rotor dosahuje při normálních provozních podmínkách nízkých obvodových otáček. Vícepólové synchronní generátory (hlavně malých výkonů) nejsou bohužel kdekoliv k dostání, ale dají se koupit například ve specializovaných obchodech s lodním příslušenstvím. [8] V těchto obchodech se prodávají jako motory pro lodní čluny, ty však samozřejmě umí pracovat i v generátorickém režimu. Dále se motory tohoto typu používají na motorových kolech, ale člověk si bohužel musí většinou koupit celé kolo.

4 Pomaloběžné větrné elektrárny 26 4 POMALOBĚŽNÉ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Jak již bylo dříve uvedeno, VTE se rozdělují podle mnoha kritérií (viz kapitola 3). Dalším kritériem je dělení podle tzv. součinitele rychloběžnosti (pomaloběžnosti). Součinitel rychloběžnosti (λ) je bezrozměrné číslo a udává poměr mezi obvodovou rychlosti rotoru (u) a rychlosti větru (v) - rovnice (4.1). [3] U pomaloběžných VTE se nejčastěji udává součinitel rychloběžnosti λ<1,5. [9] u λ = (-; m/s; m/s) (4.1) v Existují dva hlavní zástupci pomaloběžných VTE v různých úpravách: a) Savoniův rotor b) Větrné kolo Jelikož větrné kolo bylo již dostatečně popsáno v kapitole 3.1.1, nebudeme se jim nadále zabývat a svou pozornost přesuneme na Savoniův rotor, na který je tato práce zaměřena. Jen pro srovnání jsou na Obr. 4-1 graficky znázorněny účinnosti jednotlivých větrných rotorů v závislosti na součiniteli rychloběžnosti. Jak je z obrázku patrné, Savoniův rotor dosahuje své největší účinnosti okolo λ 0, 8 a u větrného kola záleží, o jaký typ se jedná. Obr. 4-1 Součinitel účinnosti různých větrných konvertorů jako funkce rychloběžnosti [5]

4 Pomaloběžné větrné elektrárny 27 4.1 Savoniův rotor 4.1.1 Základní údaje Savoniův rotor je pomaloběžná VTE pracující na odporovém principu (viz kapitola 2.2) se svislou osou otáčení. Vynalezl jej kolem roku 1925 finský lodní důstojník Sigurd J. Savonius a sestrojil tak první jednostupňový Savoniův rotor (viz kapitola 4.1.2). Pro lepší účinnost se později začaly vyrábět dvou a více stupňové rotory (viz kapitola 4.1.3), průtažné třílopatkové rotory (viz kapitola 4.1.4), spirálové rotory (viz kapitola 4.1.5) a pro ještě větší účinnost se tyto rotory začaly umísťovat nad sebou nebo vedle sebe (spojené řemenovým nebo řetězovým pohonem) Obr. 4-2 a Obr. 4-3. [8] Výhody Savoniových rotorů: jednoduchá stavba ze snadno dostupných materiálů nebo z materiálů použitých nezávislost na okamžitém směru větru, tím pádem odpadá zařízení na natáčení rotoru do směru větru přímé předávání síly z rotoru na svislou hřídel využití širokého pásma rychlosti větru - od extrémně nízkých rychlostí (2 až 3 m/s) až po vysoké rychlosti větru (25 m/s) je možné spojování několika Savoniových rotorů do většího zařízení s relativně vysokými otáčkami. U větrných turbín s horizontální osou otáčení zvětšení průměru vrtule či kola vždy způsobuje snížení otáček. Na rozdíl od toho Savoniův rotor umožňuje zvětšit plochu turbíny, tím pádem i výkon, aniž by došlo k výraznému poklesu otáček. Tohoto se docílí horizontálním nebo vertikálním spojením několika rotorů s malým průměrem, tudíž i s vysokým počtem otáček (Obr. 4-2 a Obr. 4-3). možnosti rozšíření u zařízení s rotory spojenými horizontálně: prvně lze instalovat malé zařízení a to posléze v závislosti na rostoucí spotřebě energie rozšiřovat připojováním dalších rotorů vysoká odolnost vůči bouřím: Savoniovy rotory mají velmi sníženou citlivost vůči vírům a turbulencím (hlavně kvůli své často vysoké hmotnosti) [8] Obr. 4-2 Horizontální uspořádání rotorů (musí být napříč k hlavnímu směru větru) [8] Obr. 4-3 Vertikální uspořádání rotorů [8]

4 Pomaloběžné větrné elektrárny 28 Nevýhody Savoniových rotorů: nezvyklý, mohutný vzhled, na který je třeba si nejprve zvyknout vysoká hmotnost rotoru: z tohoto důvodu je třeba rotor pečlivě vyvážit, aby se zabránilo kritickému kmitání při vysokých otáčkách malá rychloběžnost, to znamená relativně nízké otáčky, ale vysoké točivé momenty relativně malý součinitel využití energie větru (účinnost): moderní lopatkové turbíny dosahují vyšších hodnot, ale jen za určité rychlosti větru. V praktickém provozu Savoniův rotor tuto nevýhodu kompenzuje využitím širšího pásma síly větru v porovnání s klasickými vrtulovými VTE je o Savoniových rotorech nedostatek odborných publikací [8] Základní konstrukční materiály: Savoniovy rotory mohou být konstruovány z různých materiálů, přičemž pro talíře a lopatky se nabízí ocelový plech, plech z lehkých kovů, plasty zesílené skleněným vláknem a vodovzdorně klížená překližka. Pro křídla rotorů o průměru 1 m lze také (nouzově) použít poloviny 200litrových barelů, to se však může projevit větší nevyvážeností. [8] 4.1.2 Jednostupňový Savoniův rotor Jedná se o základní verzi Savoniova rotoru a skládá ze dvou vodorovných kruhových kotoučů, mezi kterými jsou svisle postavena dvě polokruhovitě zahnutá křídla (Obr. 4-4). Tento nejzákladnější typ Savoniova rotoru se již nahrazuje vylepšenými verzemi, ale i tak se v některých aplikacích samozřejmě nadále využívá. Jeho největší negativní vlastností oproti ostatním typům Savoniova rotoru je, že při rotaci vždy prochází křídla rotoru takovou polohou, že jsou natočeny rovnoběžně se směrem větru (Obr. 4-5), tedy vítr na křídlech rotoru nevyvíjí žádnou sílu a rotor se v daný moment otáčí jen díky své setrvačnosti. Z toho důvodu není dosaženo rovnoměrného točivého momentu. Bylo zjištěno, že pokud se rotor při rozběhu nachází v této poloze vůči větru, tak se nemusí vždy rozběhnout, dokonce při špatném sestavení rotoru se na něm může vyskytnout malý záporný rozběhový moment. Pokud jeden z těchto dvou jevů nastane, tak zpravidla trvá jen velmi krátkou chvíli, neboť se směr větru neustále mění a rotor začne vůči větru zaujímat jinou polohu než rovnoběžnou. [8] Uchycení tohoto rotoru je stejné jako u rotoru dvoustupňového a je popsáno v kapitole 4.1.3. Obr. 4-4 Jednostupňový Savoniův rotor Obr. 4-5 Savoniův rotor natočený rovnoběžně se směrem větru

4 Pomaloběžné větrné elektrárny 29 4.1.3 Dvou a více stupňový Savoniův rotor Aby se dosáhlo rovnoměrného točivého momentu, doporučuje se konstruovat rotor jako dvoustupňový, kde stupně rotoru jsou pootočeny proti sobě o 90 (Obr. 4-6). Pak bude jedno křídlo rotoru stát vždy plně ve větru a rotor se i při malé síle větru může snadno rozběhnout. Obr. 4-6 Dvoustupňový Savoniův rotor Třístupňové uspořádání rotoru se stupni navzájem pootočenými o 60 naproti tomu už nepřináší žádné podstatné zlepšení průběhu točivého momentu. [8] Uložení těchto typů rotoru se může provádět různými způsoby: jednostranným uložením (zespod, shora), oboustranným, výkyvným nebo pevným a kombinací těchto způsobů. V praxi je dobré propojit talíře průběžnou hřídelí z ocelové roury, neboť plní statickou funkci, přenáší točivý moment z lopatek na pracovní stroj, a také přijímá ohýbací síly vyvolané tlakem větru a nevyvážeností. Při jednostranném, tuhém uložení v ložisku zde hrozí nebezpečí, že se rotor při vysokých rychlostech větru dostane do kritických kmitů. Jednostranné uložení lze tedy doporučit pouze pro rotory s horním výkyvným zavěšením na křížový kloub (Obr. 4-7). Při případné nevyváženosti se už rotor nemůže tak silně rozkmitat a při vysokých rychlostech větru se samočinně vychýlí. Lepší je dvojité, pevné uložení procházející hřídele (Obr. 4-8), avšak průměr hřídele by neměl být větší než 25 % šířky vzduchového kanálu mezi křídly. Pouze velmi malé Savoniovy rotory o průměru menším než 50 cm by měly být konstruovány jako samonosné s jednostranným uložením v ložisku. Obr. 4-7 Horní výkyvné uložení na křížovém kloubu [8] Obr. 4-8 Dvojité uložení procházející hřídele [8]

4 Pomaloběžné větrné elektrárny 30 Při stavbě rotoru by se mělo postupovat co nejpřesněji, aby se docílilo co nejlepší rotace. Jelikož Savoniovy rotory bývají zpravidla velice robustní, proto se nesmí vynechat stabilizační paprsky kola (Obr. 4-9). Bez těchto paprsků by jinak bylo třeba použít pro talíře příliš silný materiál. Také jsou velmi důležité táhla uprostřed křídel obou stupňů (Obr. 4-9), které zabraňují vyboulení rotoru, resp. vibracím vnějších hran křídel vlivem odstředivé síly při vysokých rychlostech větru. Pro Savoniovy rotory je velmi výhodné použít naklápěcí válečková ložiska. Jsou mohutná, zachycují velmi vysoké axiální zatížení a díky své struktuře dokážou dobře zachycovat i radiální síly. [10] Ložiska je třeba chránit odstřikovacím prstencem proti dešti, který stéká po hřídeli rotoru. Obr. 4-9 Struktura dvoustupňového Savoniova rotoru [8] 4.1.4 Průtažný třílopatkový rotor Lopatky a talíře dvoustupňového rotoru nesmějí dosahovat až k rámu, proto je konstrukční výška tohoto rotoru omezena na 2,5 až 3 m. Kdybychom chtěli rotor zvětšit, hrozilo by při bouřce kritické rozkmitání rotoru do stran. [8] Z tohoto důvodu byl vyvinut průtažný třílopatkový rotor (Obr. 4-10). Tento rotor je samonosný, tuhý v ohybu a je konstruovaný jako prostorový nosník. Díky tomuto řešení je možné stavět větší rotory, přičemž horním limitem je v současnosti průměr okolo 3 m a výška 6 m. Tento rotor je třílopatkový, ale jednostupňový. Z konstrukčního hlediska tvoří svislé lopatky z ohebného materiálu s vodorovnými segmenty nebo žebry konstrukční jednotku, která je podobná lodnímu trupu nebo křídlu letadla. V důsledku jsou pak jednotlivé stavební části stejně jako hřídel namáhány jen v tahu a tlaku, nikoli v ohybu. Díky tomuto je rotor velmi lehký a zároveň tuhý.

4 Pomaloběžné větrné elektrárny 31 a) b) Obr. 4-10 Průtažný třílopatkový Savoniův rotor: a) pohled z boku (rotor vsazený do podpěrného rámu), b) pohled shora [8] 4.1.5 Spirálový rotor Lopatka tohoto rotoru je tvořená plochou, která vznikne vytažením lopatky klasického rotoru do určité výšky po šroubovici (Obr. 4-11 a Obr. 4-12). [6] Tento rotor se vyznačuje lepší hodnotou momentu a výkonu při provozu. To je dáno celkovým tvarem rotoru, neboť mezi spodní a horní částí je plynulý přechod lopatek, proto kladou větru menší odpor než klasické lopatky. Uložení spirálového rotoru se provádí oboustranné, pevné s průběžnou hřídelí uchycenou v axiálních ložiscích, tedy osa otáčení je vertikální. Avšak tento druh rotoru se provozuje i s horizontální osou otáčení (Obr. 4-11). Tohoto uložení se využívá hlavně při stavbě VTE na výškových budovách. Obr. 4-11 Spirálový rotor [6] Obr. 4-12 Spirálový rotor na bóji [6]

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 32 5 ZJEDNODUŠENÝ NÁVRH VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY SE SAVONIOVÝM ROTOREM Dostáváme se k nejdůležitější části této práce a tou je zjednodušený návrh pomaloběžné VTE se Savoniovým rotorem pro laboratorní použití. Cílem je navrhnout Savoniův větrný rotor tak, aby výstupní výkon z generátoru byl cca 300W elektrických při rychlosti větru 15 m/s. Dále zjednodušeně navrhnout generátor pro dané otáčky rotoru, navrhnout způsob brzdění rotoru při velkých rychlostech větru, popř. jeho úplné zabrzdění, a v závěru zjednodušeně navrhnout uchycení celé sestavy (rotoru, generátoru a brzdy) v nespecifikované věžové konstrukci. 5.1 Návrh rotoru Parametry Savoniova rotoru závisí na rychlosti větru (v), pro kterou má být konstruován, požadovaném výstupním výkonu celého zařízení (P g ), součiniteli rychloběžnosti (λ) a na koeficientu výkonu (c p ) a momentu (c m ). Koeficient výkonu a momentu získáme z Obr. 5-1 pomocí zvoleného součinitele rychloběžnosti. Tyto dvě křivky byly získány experimentální cestou. [6] Savoniův rotoru dosahuje svého nejvyššího výkonu při součiniteli rychloběžnosti 0,8 1, proto jsem tento součinitel zvolil 0,9. Samozřejmě zvolená hodnota nemusí odpovídat realitě, neboť skutečná hodnota se dá zjistit pouze z přímého měření parametrů již hotového výrobku. Až poté se ukáže, jestli zvolené uspořádání a rozměry rotoru skutečně vedly ke zvolené hodnotě λ = 0,9. Obr. 5-1 Experimentální křivky koeficientu výkonu (c p ) a momentu (c m ) Savoniova rotoru [6] Po vynesení hodnoty λ = 0,9 do Obr. 5-1 jsem získal hodnoty c p = 0,3 a c m = 0,33. Tyto hodnoty budou využity v následujících výpočtech.

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 33 5.1.1 Celkový rozměr rotoru Při výpočtu rozměrů rotoru je potřeba vycházet ze známých hodnot a následně dopočítat neznámé. V našem případě jsou známé hodnoty: P g = 300 W. výkon generátoru v = 15 m/s... rychlost větru procházející přes plochu rotoru (na tuto průměrnou rychlost větru rotor dimenzujeme) ρ = 1,293 kg/m 3...hustota vzduchu při normálních podmínkách c p = 0,3.. koeficient výkonu (účinnost větrného rotoru) c m = 0,33 koeficient momentu η g = 0,8.. účinnost generátoru (jedná se o předběžnou průměrnou účinnost synchronního generátoru, který bude použit k výrobě el. proudu; jelikož se ještě neví, jaký generátor se podaří sehnat a koupit, proto je zde použita pouze průměrná hodnota) A neznámé hodnoty jsou: P výkon větru procházející plochou větrného rotoru A... plocha rotoru, kterou prochází vítr Pro výstupní výkon generátoru platí: P g = c η P (W; -; -; W) (5.1) p g Z tohoto vztahu můžeme vyjádřit výkon větru, dosadit známé hodnoty a vyčíslit. [11] Výkon větru se tedy rovná: Pg P = (W; W; -; -) (5.2) c η p g 300W P = = 1250W 0,3 0,8 Pro výkon větru dále platí vztah (5.3). Z téhle rovnice vyjádříme plochu rotoru, kterou prochází vítr rovnice (5.4). Opět do ní dosadíme známé hodnoty, tentokrát už i výkon větru, a vyčíslíme: P 1 2 3 = ρ A v (W; kg/m 3 ; m 2 ; m/s) (5.3) 2 P A = (m 2 ; W; kg/m 3 ; m/s) (5.4) ρ 3 v 2 1250W A = 1,293kg m 15 m s = & 0, 5729 3 3 1 Z celkové plochy rotoru musíme dále určit výšku a šířku rotoru. K tomu nám pomůže parametr α vztah (5.5), který představuje poměr stran rotoru, tedy celkové výšky m 2

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 34 rotoru (H) : celkové největší šířce rotoru (D). Podle zdroje [6] by měly globálně nejvyšší hodnoty parametru α velmi zlepšit využití větrné energie. Z toho vyplývá, že hodnoty α kolem 4 by měly vést k nejlepšímu součiniteli výkonu pro konvenční Savoniův rotor. H α = (-; m; m) (5.5) D Obr. 5-2 Celkové rozměry rotoru Pro celkovou plochu rotoru samozřejmě také platí vtah: A = H D (m 2 ; m; m) (5.6) S pomocí parametru α = 4 a vztahu (5.6) vyjádříme výšku a šířku (průměr) rotoru. Nejprve vyjádříme jednu z těchto dvou neznámých, např. šířku rotoru: A D = (m; m 2 ; m) (5.7) H Dosadíme-li rovnici (5.7) do rovnice (5.5) za neznámou D a následně upravíme, pak nám vyjde, že: H 2 α = 4 = (-; m; m 2 ) (5.8) A Pokud ze vztahu (5.8) osamostatníme H na jednu stranu rovnice a dosadíme za A, tak vypočteme první neznámou stranu a tou je výška rotoru: H = 4 A (m; m 2 ) (5.9) H = 4 0,5729m 2 = & 1, 5138m => volím: H=1515mm

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 35 Nyní, když známe stranu H, můžeme pomocí vztahu (5.7) vypočítat stranu D: 2 A 0,5729m D = = = & 0, 3785m => volím: D=380mm H 1,5138m 5.1.2 Přepočtené parametry rotoru Jelikož jsem zaokrouhlil délky stran rotoru na větší hodnoty, je potřeba některé parametry přepočítat, neboť se s nimi bude uvažovat v následujících výpočtech. Pro úplnost si přepočteme i ty parametry, které dále potřebovat nebudem. Přepočtená čelní plocha rotoru: Skutečnou čelní plochu rotoru získáme dosazením zvolených hodnot H a D do vztahu (5.6): Přepočtený výkon na výstupu generátoru: A = H D = 1,515m 0,380m = 0,5757m Dosazením rovnice (5.3) do rovnice (5.1) za hodnotu P obdržíme následující vztah. Dosadíme-li do něj známé hodnoty a vyčíslíme je, dostaneme výkon na výstupu generátoru při předpokládané průměrné účinnosti generátoru 0,8: P g 1 = c p ρ 2 Přepočtený parametr α čelní plochy: 3 η g A v (W; -; -; kg/m 3 ; m 2 ; m/s) (5.10) 1 3 2 3 1 P g = 0,3 0,8 1,293kg m 0,5757m 15 m s = 301, 5W 2 Skutečný parametr α získáme dosazením zvolených hodnot H a D do vztahu (5.5): α = H D 1,515m = = 3,99 0,380m 2 5.1.3 Přesazení a geometrie lopatek Jelikož máme první část návrhu rotoru za sebou, výpočet celkové výšky a šířky rotoru, můžeme přejít k druhé části a tou je výpočet přesazení lopatek (e) a jejich celková geometrie. Na základě experimentálních pokusů prováděných v Kanadě bylo zjištěno, že Savoniův rotor dosahuje nejlepší účinnosti při přesazení lopatek v poměru, který je uveden ve vztahu (5.11). [12] e 1 = D 6 (m; m) (5.11)

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 36 Obr. 5-3 Přesazení lopatek s centrální hřídelí [6] Pokud osamostatníme člen e na jednu stranu rovnice, dostaneme vztah pro výpočet vzduchového kanálu mezi křídly rotoru: 1 e = D 6 (m; m) (5.12) Po dosazení do tohoto vztahu vyšla šířka vzduchového kanálu: 1 e = 380mm = 63, 34mm => volím: e=66 mm 6 Tuto hodnotu jsem zaokrouhlil směrem nahoru, protože mezi křídly bude ještě vložena centrální hřídel (viz kapitola 5.1.4), která vzduchový kanál zmenší. Tuto hodnotu jsem zaokrouhlil na 66 mm z toho důvodu, aby vycházel průměr jednoho křídla (d) také v celých číslech. 5.1.4 Průměr centrální průchozí hřídele Pro zlepšení tuhosti konstrukce rotoru jsem se rozhodl vložit centrální procházející hřídel o průměru d a oboustranně uloženou v ložiscích. Hřídel bude z ocelové bezešvé tyče. Podle autora knihy [8], který má bohaté zkušenosti se stavbou Savoniových rotorů, se nezhoršuje účinnost rotoru (nebo jen velice málo) vložením centrální hřídele, i když se zmenší vzduchový kanál mezi křídly. Avšak měla by být dodržena zásada, jak je uvedeno v kapitole 4.1.3, že průměr hřídele nemá být větší než 25 % šířky vzduchového kanálu. Když vezmeme v potaz tuto skutečnost, tak nám pro maximální průměr hřídele vyjde vztah: e d a max = 25% (m; m) (5.13) 100%

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 37 Dosazením do tohoto vztahu nám vyjde: 66mm d a max = 25% = 16, 5mm => volím: d a = 16mm 100% Aby bylo možné vybírat z normalizované řady ocelových tyčí, zaokrouhlil jsem průměr hřídele na nejbližší menší průměr, který se vyrábí. 5.1.5 Výška jednoho stupně rotoru Jelikož navrhuji šestistupňový rotor, je potřeba vypočítat výšku jednoho stupně rotoru. Tato výška se vypočte podle následujícího vztahu: Tedy výška jednoho stupně je: H h = pocet _ stupnu _ rotoru (m; m) (5.14) 1515mm h = = 252, 5mm 6 5.1.6 Otáčky rotoru Dalším důležitým parametrem větrné elektrárny jsou otáčky rotoru. Toho využijeme zejména při návrhu generátoru, neboť indukované napětí v generátoru je přímo úměrné otáčkám. Otáčky rotoru (n) závisí hlavně na součiniteli rychloběžnosti, který jsem zvolil. Výsledek je jen orientační, neboť, jak již bylo uvedeno, skutečný součinitel rychloběžnosti se může zjistit až při provozu elektrárny. Při výpočtu otáček vycházíme ze vztahu (4.1) a (5.15). Dosadíme-li vztah (5.15) do vztahu (4.1), tak nám vznikne vztah (5.16). [6] R.. celkový poloměr rotoru Pro úhlovou rychlost dále platí: u = ω R (m/s; rad/s; m) (5.15) R λ = ω (-; rad/s; m; m/s) (5.16) v ω = 2 π n (rad/s; ot./s) (5.17) Pokud dosadíme vztah (5.17) do (5.16), pak již můžeme vyjádřit otáčky rotoru. Pro otáčky rotoru tedy platí: λ v n = (ot./s; -; m/s; m) (5.18) 2 π R Dosazením do tohoto vztahu nám pro otáčky vyjde: 0,9 15m / s n = = 11,308ot./ s = 678,5ot./ min 2 π 0,190m

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 38 5.1.7 Kroutící moment rotoru Při návrhu generátoru je také dobré znát kroutící moment rotoru. Pro tento moment platí následující vztah [6]: M 1 4 Dosazením nám vyjde, že: 2 k = cm ρ D A v (Nm; -; kg/m 3 ; m; m 2 ; m/s) (5.19) 1 3 2 2 M k = 0,33 1,293kg / m 0,380m 0,5757m 15 m / s = 5, 25Nm 4 5.2 Konstrukce rotoru Jelikož je velmi pravděpodobné, že rotor bude během svého života měnit různá stanoviště, proto jej navrhuji v lehce rozebíratelném a přenosném uspořádání. Samotný rotor je rozdělený do šesti samostatných celků (stupňů) vzájemně pootočenými o 18. Cílem tohoto dosti početného dělení rotoru bylo přiblížit se co nejvíce k tzv. spirálovému rotoru, který dosahuje nelepších hodnot momentu a výkonu ze všech známých typů Savoniova rotoru. Vzájemné pootočení samostatných celků rotoru o 18 taky není náhodné. Díky tomuto pootočení jsou dolní a horní díl vzájemně pootočeny o 90, takže je zajištěno, že jedno křídlo rotoru bude vždy stát plně ve větru. Obr. 5-4 Celkový vzhled a uspořádání navrženého rotoru

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 39 Jednotlivé stupně jsou tvořeny půlválcovými lopatkami, které jsou přesazeny o hodnotu e (viz kapitola 5.1.3). Lopatky jsou tvořeny pozinkovanými ocelovými plechy o tloušťce 1 mm. Žebra (horní a dolní část stupně) jsou taktéž realizována pozinkovanými ocelovými plechy, ale o tloušťce 1,5 mm. Jelikož je rotor rozdělen do šesti menších celků, proto již není potřeba použít táhla proti vyboulení lopatek. Stupně jsou konstruovány jako svařenec a mají být nasunuty na centrální hřídel. Spojení stupňů je zajištěno šrouby, širokoprstencovými podložkami a samojistícími maticemi (Obr. 5-5). Stejným způsoben je realizováno spojení rotoru a unášeče. Obr. 5-5 Materiál pro spojení stupňů a spojení rotoru s unášečem 5.2.1 Dolní stupeň rotoru Jedná se o první stupeň v pořadí (bráno od spodu na horu), který je upevněn na hnací unášeč (viz kapitola 5.2.4). Skládá se ze dvou lopatek a dvou žeber. Ve spodním žebru jsou vyvrtány 4 díry pro upevnění hnacího unášeče a 1 středící díra určená pro průchozí centrální hřídel. V horním žebru jsou vyvrtány 4 díry pro spojení s dalším stupněm a 1 středící díra pro průchozí centr. hřídel. Horní žebro má navíc horizontální vysunutí o 18 vůči spodnímu žebru pro každou lopatku, aby bylo zajištěno vzájemné pootočení stupňů. Obr. 5-6 Dolní stupeň rotoru

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 40 5.2.2 Mezistupeň rotoru Jedná se o stupeň rotoru, který je vložen mezi dolním a horním stupněm. V mém případě jsou v rotoru vloženy 4 mezistupně, které jsou naprosto stejné a dají se mezi sebou zaměnit. Avšak v provozu by se mělo dodržet pořadí stupňů v takové pozici, při které byl rotor vyvažován. Struktura tohoto stupně je stejná jako u dolního stupně, pouze díry ve spodním žebru jsou vyvrtány v takové pozici, aby bylo možné spojit dva stupně. 5.2.3 Horní stupeň rotoru Jedná se o poslední stupeň v pořadí, který je upevněn na vodící unášeč (viz kapitola 5.2.5). Struktura tohoto stupně je obdobná mezistupni, liší se akorát tvarem horního žebra (není provedeno horizontální vysunutí o 18 vůči spodnímu žebru) a v něm rozmístěných děr. Tyto díry jsou vyvrtány v místech uchycení unášeče. 5.2.4 Hnací unášeč Hnací (spodní) unášeč hraje nejdůležitější roli při přenosu točivého momentu z rotoru na hřídel. S centrální hřídelí je spojen svařením. Dále je na něj navařená hřídel spojující unášeč s generátorem (přes pružnou spojku). Stejně jako v případě obou hřídelí je i unášeč vyroben z ocele se zaručenou svařitelností. Obr. 5-7 Hnací unášeč 5.2.5 Vodící unášeč Vodící (horní) unášeč slouží k zafixování vertikální polohy rotoru a spolu s rámem zabraňuje zbytečnému namáhání ložisek v dolním uložení. Tento unášeč je přišroubován k rotoru a přitažen hlavní maticí (korunkovou) na centrální hřídeli. 3 Mezi vodícím unášečem a hl. maticí je vložena vroubkovaná podložka, která zajistí dostatečné tření pro přenesení kroutícího momentu. Zde totiž 3 Hlavní matice nám navíc stáhne jednotlivé stupně k sobě.

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 41 nejsou kladeny tak velké nároky na přenesení momentu, neboť drtivou většinu momentu přenáší hnací unášeč. Tento unášeč je taktéž vyroben z oceli se zaručenou svařitelností. Obr. 5-8 Detail vodícího unášeče 5.2.6 Centrální hřídel Centrální hřídel slouží hlavně ke zlepšení celkové tuhosti rotoru a pomáhá přenášet točivý moment rotoru. Dále spolu s rámem udržuje rotor ve vertikální poloze. Jak již bylo zmíněno, v horní části je centrální hřídel přitažena k vodícímu unášeči pomocí hlavní matky a ve spodní části je svařena s hnacím unášečem. Hřídel je ve spodní části zbroušena do kužele a vsunuta do hnacího unášeče. Také unášeč má zkosenou spodní hranu díry určenou pro vložení hřídele. Toto dvojí zkosení zaručí větší stykovou plochu pro hlavní svár, tudíž svár bude kvalitnější a dostatečně pevný (Obr. 5-10). Pro větší pevnost je možné vytvořit i jemný svár v horní části unášeče (Obr. 5-11), avšak tento svár musí být natolik malý, aby nepřekážel v uložení a upevnění rotoru na unášeč. Materiálem centr. hřídele je ocelová bezešvá tyč se zaručenou svařitelností. Obr. 5-9 Centrální hřídel

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 42 Obr. 5-10 Hlavní svár hnacího unášeče s centrální hřídelí Obr. 5-11 Pomocný (jemný) svár 5.3 Návrh generátoru I když je tato kapitola bezpochyby jednou z nejdůležitějších (co se týče výroby el. proudu), nebudeme se jí zas natolik zabývat, neboť vše potřebné, co se týče generátorů, již bylo uvedeno v kapitole 3.2. Generátor koupíme, popř. si jej necháme vyrobit na zakázku. Jelikož Savoniovy rotory mají všeobecně dosti nízké pracovní otáčky, proto je výběr generátorů na trhu pro naše použití dosti omezený, neboť většina generátorů má pracovní otáčky přes 1000 ot./min. I přesto je důležité vědět, jaké parametry by daný generátor měl mít. Zcela nejvíce vyhovující je vícepólový synchronní generátor s permanentními magnety. Jako druhou variantu volím stejnosměrný generátor, avšak i ten by měl být v provedení s permanentními magnety. Vzhledem k tomu, že generátor bude s největší pravděpodobností dodávat el. energii do autobaterií, proto by měl mít na výstupu napětí 12 nebo 24 V. Co se týče frekvence na výstupu synchronního generátoru, tak nejoptimálnější frekvence je okolo 50 Hz. Pomocí výstupní frekvence a otáček rotoru, které jsme si vypočetli v kapitole 5.1.6, můžeme podle vztahu (5.20) vypočítat potřebný počet pólů generátoru. p. počet pólových dvojic f.. frekvence f p = 60 (-; Hz; ot./min) (5.20) n

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 43 Tedy z toho vyplývá, že potřebný počet pólových dvojic je: 60 50 p = = 4,4 678,5 Počet pólových dvojic může být pouze celé číslo, tedy pro náš případ jich může být 4 nebo 5. Shrnutím všech nabytých poznatků nám vyplývá, že nejoptimálnější generátor má tyto parametry: typ: synchronní generátor s permanentními magnety výkon: 300 W výstupní napětí: 12 nebo 24 V počet pólových dvojic: 4 nebo 5 5.4 Návrh brzdy rotoru Další nepostradatelnou součástí VTE je brzda rotoru, která slouží k přibrzdění či úplnému zastavení rotoru při extrémně velkých rychlostech větru, nebo pokud si přejeme z jakýchkoliv důvodů zastavit rotor (při opravě, revizi atd.). Pro tento účel jsem se rozhodl použít přední cyklistickou kotoučovou brzdu (mechanickou) od firmy Winzip s typovým značením Max-HD 180/203 (Obr. 5-12). [13] Použitý brzdový kotouč je též od firmy Winzip s typovým značením WR-203 (Obr. 5-13) s průměrem kotouče 203 mm (jedná se o největší vyráběný průměr cyklistického brzdového kotouče). Pro tuto variantu brzdného systému jsem se rozhodl kvůli levnému a lehce dostupnému zboží, které lze pořídit téměř v každé cykloprodejně. Obr. 5-12 Kotoučová brzda Winzip Max-HD 180/203 [13] Obr. 5-13 Brzdový kotouč Winzip WR-203 [13] Způsob uvedení brzdy do režimu brzdění je trochu pozměněný. Původně se přenášela síla na brzdu přes ocelové lanko pomocí páčky. V mém případě bude místo páčky použit malý servomotor, který bude navíjet lanko na malý navíjecí buben. Hlavní části brzdy: otáčkoměr, vyhodnocovací elektronická diagnostika (dále jen VD), servomotor, kotoučová brzda a ocelové lanko.

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 44 Princip funkčnosti brzdy: otáčkoměr neustále měří otáčky rotoru a VD porovnává měřené otáčky s přednastavenou maximální hodnotou, kterou rotor nesmí překročit. Při překročení maximálních otáček vyšle VD impuls servomotoru a ten začne navíjet lanko (brzdit rotor). VD je možné nastavit více způsoby - rotor může pouze přibrzďovat, nebo jej zcela zastavit, nechat v zabrzděném stavu určitou dobu, a až po dané době opět odbrzdit. Úkolem této kapitoly bylo zjednodušeně navrhnout brzdnou sestavu rotoru. O konkrétní návrh VD a servomotoru se již postarají vybraní pracovníci FEKT VUT v Brně. 5.5 Návrh konstrukce pro uchycení celé sestavy Celá sestava (rotor, generátor a brzda) je upevněna ve věžovité ocelové konstrukci. Konstrukce je vyrobena pouze z ocelových U-profilů o rozměrech 40 x 25 mm (celková šířka x celková výška) s tloušťkou stěny 3 mm a ocelových pásovin o rozměrech 40 x 3 mm (šířka x tloušťka), aby bylo dosaženo co nejmenších nároků na pořízení konstrukčního materiálu. Nosná konstrukce bude upevněna na čtyřech silentblocích připevněných na pevném podstavci, který musí zajistit stabilitu celé VTE. Aby provoz VTE byl co nejvíce bezporuchový, proto je potřeba veškeré náchylné části na venkovní prostředí opatřit kryty, aby byly dostatečně chráněny proti nepříznivým vlivům venkovního prostředí. 4 Tyto kryty nejsou v následujících obrázcích znázorněny, protože by zakrývaly klíčové části celého návrhu. Základní konstrukční části jsou: horní kříž s tzv. domkem uprostřed pro uložení ložiska (radiálního); slouží k udržení rotoru ve vertikální poloze dolní kříž taktéž s domkem pro uložení ložisek (axiálního i radiálního); spolu s rámem slouží jako hlavní nosná část celé sestavy; na této části je uložená také brzda rotoru dvě konzoly s nosnou ocelovou deskou; slouží k upevnění generátoru nosné stojky ; slouží pro vzájemné spojení obou křížů a pro udržení celé sestavy nad zemí Oba kříže jsou po svém obvodu spojeny pásovinami, které zvýší celkovou pevnost rámu. 4 Mezi náchylné části patří ložiska, generátor a dané části brzdy - servomotor, vyhodnocovací diagnostika a otáčkoměr.

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 45 Obr. 5-14 Celá sestava i s nosnou konstrukcí 5.5.1 Uchycení rotoru Rotor je uchycen mezi horním a dolním křížem nosné konstrukce v ložiscích. Jako horní ložisko je použito dvouřadé kuličkové ložisko radiální s typovým značením 4205 BTNG (vnitřní průměr: 25 mm; vnější průměr: 52 mm; šířka: 18 mm). [14] Pro dolní ložisko bylo zamýšleno použít naklápěcí válečkové ložisko axiální, které zachytává i radiální síly. Jelikož se jej nepodařilo sehnat v potřebných rozměrech (navíc jsou tyto ložiska dosti drahé), proto se místo něj použily dvě ložiska - axiální a radiální. Použité axiální ložisko má typové značení 51306 (vnitřní průměr: 30 mm; vnější průměr: 60 mm; šířka: 21 mm) a radiální ložisko má typové značení 6210 (vnitřní průměr: 50 mm; vnější průměr: 90 mm; šířka: 20 mm). Horní kříž je vyroben z pásovin. Vprostřed kříže je domek pro uložení ložiska (Obr. 5-15). Tyto dvě části jsou spojeny svařením. Obr. 5-15 Horní kříž s domkem a ložiskem

5 Zjednodušený návrh větrné elektrárny se Savoniovým rotorem 46 Centrální hřídel je s vrchní strany opatřena závitem (kvůli hlavní matici), proto je potřeba na hřídel našroubovat taktéž tzv. domek, který nám vytvoří hladký povrch pro uložení ložiska (Obr. 5-16). Tento domek je opatřen levotočivým závitem, aby bylo zajištěno, že během provozu VTE nedojde k povolení domku na hřídeli. Obr. 5-16 Uložení centrální hřídele v horním kříži Dolní kříž je vyroben z U-profilů. Vprostřed kříže je opět domek pro uložení ložisek a stejně jako v předchozím případě jsou i teď kříž a domek spojeny svařením (Obr. 5-17 a Obr. 5-18). Obr. 5-17 Dolní kříž s domkem pro ložiska (pohled shora)