Co se stalo s větrnou turbínou se svislou osou?

O větrných turbínách se svislou osou existují záznamy již z 9. století v Persii nebo dokonce ze 7. století př. n. l. na afghánské vysočině. Tyto rané VAWT byly jednoduchá zařízení založená na aerodynamickém odporu; jedna strana turbíny byla zakrytá a vítr jednoduše tlačil lopatky na druhé straně. Mnohem účinnější VAWT na bázi aerodynamického vztlaku vynalezl
Georges Darrieus ve Francii až ve 20. letech 20. století, přičemž si nechal patentovat jak VAWT se zakřivenými lopatkami typu „šlehač vajec“ (zde jednoduše nazývanou Darrieusova turbína), tak VAWT s přímými lopatkami (zde nazývanou H-rotor). Ačkoli sám Darrieus postavil řadu malých modelů se zakřivenými i rovnými lopatkami, první VAWT s aerodynamickým vztlakem, které produkovaly výkon, zkonstruoval jeho francouzský kolega Jean-Baptiste Morel, který v 50. letech 20. století postavil v jižní Francii řadu Darrieusových turbín s rovnými lopatkami o výkonu až 7 kW.

Vědci z kanadské Národní výzkumné rady (CNCR) v polovině 60. let 20. století znovu vynalezli VAWT, aniž by zřejmě věděli o dávno zapomenutých dřívějších francouzských snahách.

Kanadský výzkum znovuobjevily v 70. letech 20. století Národní laboratoře Sandia, které kromě svého hlavního poslání vyvíjet jaderné zbraně pověřilo americké ministerstvo energetiky výzkumem alternativních zdrojů energie.

Sandia postavila v roce 1976 poblíž Albuquerque ve státě NM Darrieusovu turbínu o výkonu 60 kW, která se ve své době stala největší kdy postavenou VAWT. Přestože společnost Sandia stála v 70. a 80. letech 20. století v centru vývoje severoamerických VAWT, postavila pouze jednu VAWT v užitkovém měřítku (čímž zde rozumíme turbínu o výkonu ≥ 100 kW), a to Darrieusovu turbínu o výkonu 500 kW postavenou v roce 1988 v Bushlandu ve státě TX. Tato experimentální turbína se vyznačovala proměnnými otáčkami, konstrukcí bez vzpěr a byla navržena tak, že většinu jejích částí bylo možné pro výzkumné účely měnit. Absence vzpěr byla pravděpodobně hlavním faktorem při dosažení výkonového koeficientu (poměr elektrického výkonu k příkonu větrné energie) 0,43, který s největší pravděpodobností stále platí jako rekord pro VAWT užitkové velikosti.

Severoamerické snahy o Darrieusovy turbíny

V průběhu 70. a 80. let 20. století se několik společností ve spolupráci s CNRC nebo Sandia nebo s využitím jejich technologií začalo pokoušet o komerční využití VAWT typu Darrieus.

V Kanadě se hlavním spolupracovníkem CNRC v oblasti VAWT stal výrobce hliníku DAF Indal, který v roce 1977 překonal velikostní rekord stanovený společností Sandia o rok dříve svou Darrieusovou turbínou o výkonu 230 kW, která byla instalována na ostrově Magdalen Island v zálivu svatého Vavřince v kanadském Quebecu. Tato turbína je také známá tím, že dokázala, že VAWT mohou být skutečně samočinné. V roce 1978 nechali technici rotor přes noc odpojený od hnacího ústrojí, ale silný vítr během noci způsobil, že rotor přešel do nadměrných otáček, což mělo za následek selhání lana a rotor se nakonec vývrtkou sám zřítil k zemi.

V letech 1983-84 postavila společnost DAF-Indal tři 500kW turbíny, což byly v podstatě vyšší jmenovité verze 230kW turbíny. Jedna z turbín, která byla umístěna v průsmyku San Gorgonio poblíž Palm Springs v Kalifornii, se zřítila při zkoušce před uvedením do provozu a při pádu bohužel připravila o život inženýra, který stál na jejím vrcholu. Další turbína, která byla umístěna na ostrově Prince Edwarda, se rovněž zřítila na zem po selhání lopatek v roce 1985. Společnost DAF- Indal nakonec svůj program VAWT v roce 1991 zastavila.

Na konci 70. let 20. století začala hliníkárenská společnost ALCOA se sídlem v Pittsburghu v Pensylvánii vyvíjet VAWT na základě dohody o přenosu technologií se společností Sandia. ALCOA postavila řadu velkých Darrieusových turbín, včetně tří strojů o výkonu 500 kW, které se v roce 1980 staly dosud největšími postavenými VAWT. Jedna z 500kW turbín, umístěná v průsmyku San Gorgonio,
CA, se zřítila těsně před konferencí Kalifornské energetické komise v roce 1981 v přilehlém Palm Springs. Výpadek proudu měl za následek překročení rychlosti rotoru, lopatky se uvolnily ze spodního uchycení a přetrhly nosná lana, načež odletěly do vzdálenosti asi 300 m a turbína spadla na zem. Plánovaná ukázka musela být přirozeně zrušena, ale místo toho bylo během konference odvážně promítnuto video s tímto incidentem, které sklidilo ovace publika. Společnost ALCOA nakonec svůj program VAWT zrušila, i když jeho části byly prodány nově založené společnosti VAWTPOWER Inc, která v letech 1983-1984 instalovala 40 turbín v průsmyku San Gorgonio. Toto zařízení, první skutečná farma VAWT, bylo v provozu od roku 1988.

Když přijde řeč na farmy VAWT, vybaví se nám společnost FloWind. Společnost FloWind instalovala více než 500 turbín v průsmyku Tehachapi u Los Angeles a v průsmyku Altamont v oblasti Sanfranciského zálivu. Jejich modely o výkonu 170 kW a 200 kW byly instalovány v letech 1983 až 1986 a celkový instalovaný výkon činil přibližně 95 MW. V roce 2004, kdy byly uvedeny do provozu poslední turbíny FloWind, vyrobily za dobu své životnosti celkem téměř 1 TWh elektřiny. Do roku 2010 byly všechny turbíny FloWind odstraněny, i když jejich pozůstatky lze nalézt v podobě silniční bariéry v průsmyku na hřebeni kopce v průsmyku Tehachapi.

V roce 1986 došlo u turbíny FloWind-19 ke katastrofické poruše, při níž lopatka narazila do přilehlého měřicího přívěsu a zničila v něm počítač DOE/Sandia. To byl začátek konce, protože to odradilo investory a společnost FloWind zkrachovala.

Společně s ostatními výše uvedenými vývojáři Darrieusových turbín používala společnost FloWind hliníkové lopatky, které byly navrženy tak, aby se ohýbaly. Vzhledem ke špatné schopnosti hliníku odolávat cyklickému namáhání to vedlo k poruchám způsobeným únavou. Tyto problémy způsobily, že turbíny FloWind zaznamenaly více odstávek než větrné turbíny s horizontální osou instalované ve stejné době v Kalifornii. Po reorganizaci na počátku 90. let byly postaveny dva prototypy se sklovláknitými lopatkami, ale ukázalo se, že to bylo příliš málo a jedna z turbín se sklovláknitými lopatkami se při silném větru zřítila.

Poněkud neobvyklou konstrukci Darrieusovy turbíny použila kanadská společnost Adecon, která použila vnější mřížový rám nahrazující lana. V roce 1984 postavila na Ostrově prince Edwarda turbínu o délce 17 m a výkonu 125 kW. Turbína, jejíž rotor byl umístěn 17 m nad zemí, fungovala jen několik hodin, než překročila rychlost a zničila se.

Po reorganizaci společnost Adecon instalovala deset turbín o výkonu 150 kW poblíž Pincher Creek v Albertě. Tyto turbíny postrádaly nosný rám rotoru, ale přesto používaly příhradové stožáry namísto lan. Mřížové stožáry vyvolávaly rezonance, které vedly k poruchám součástí. Ty způsobily převrácení dvou turbín a většina ostatních turbín byla po většinu času nefunkční. Do roku 2006 bylo všech deset turbín odstraněno.

Nezapomenutelná je mohutná turbína ÉOLE (francouzsky Aeolus, vládce větru v řecké mytologii), která byla dokončena v roce 1987 a nachází se v Cap-Chat na jižním břehu řeky Svatého Vavřince v Quebecu. S celkovou výškou 110 m, rotační hmotností 880 tun a jmenovitým výkonem 3,8 MW překonala ÉOLE všechny dosavadní rekordy a dodnes je zdaleka největším kdy postaveným VAWT.

Toto monstrum s ocelovými lopatkami a proměnlivými otáčkami fungovalo až do roku 1993, kdy prasklo spodní ložisko. Je potěšující, že ÉOLE stále stojí a v létě pořádá prohlídky s průvodcem. Návštěvu vřele doporučujeme: ÉOLE je pro milovníky větrné energie legendou a krásný poloostrov Gaspé je celkově skvělým místem. Výhodné je, že prohlídku s průvodcem je možné absolvovat v angličtině, a pokud si připlatíte pár dolarů, můžete se nechat vyvézt na horní plošinu elektrárny ČOLE, odkud je nádherný výhled.

Postaveny byly i další užitkové turbíny Darrieus, dokonce i některé v Evropě v 80. letech 20. století. Ale seriózní pokusy jsou stále vzácnější. Problémy s únavou lopatek, nutnost rovného terénu pro uchycení nosného lana a nevýhody rotoru umístěného tak blízko u země byly příčinou toho, že se Darrieusovy „vejcovody“ nedokázaly prosadit jako konkurence HAWT.

Mezitím v Evropě

Částečně v souběhu se severoamerickým vývojem Darrieusových turbín se VAWT zkoumaly také v Evropě, ale zde se největší pozornost věnovala koncepci H-rotoru, který má oproti konvenční Darrieusově turbíně některé výhody. Nejdůležitější je, že je obvykle umístěna na volně stojící věži, díky čemuž je rotor vyšší a není nutné používat kabely.

Nejznámějším a pravděpodobně nejambicióznějším evropským projektem VAWT byl projekt realizovaný britskou společností VAWT Ltd v 80./90. letech 20. století, který vzešel z výzkumu vedeného Peterem Musgrovem na univerzitě v Readingu ve Velké Británii.

Koncepce VAWT Ltd se zpočátku vyznačovala proměnnou geometrií, která umožňovala skládání lopatek pro regulaci výkonu. Po vyhodnocení turbíny s proměnnou geometrií o výkonu 130 kW, která byla postavena v roce 1986 v Carmarthenském zálivu ve Walesu, se však ukázalo, že výkon lze stejně dobře regulovat pomocí pevných, rovných lopatek. Proto měl následný prototyp o výkonu 500 kW, postavený v roce 1990, rovné lopatky. U této turbíny došlo k několika poruchám souvisejícím s přenosem výkonu a nakonec k ničivému selhání jedné ze sklolaminátových lopatek. Brzy poté bylo vládní financování zastaveno a projekt nakonec skončil.

V 90. letech 20. století začal německý vynálezce a podnikatel Götz Heidelberg v mnichovské společnosti Heidelberg Motor GmbH vyvíjet koncepci H-rotoru s proměnnými otáčkami a magnety PM. V roce 1991 byl jejich první velký prototyp (300 kW) instalován v Kaiser-Wilhelm-Koog na německém pobřeží Severního moře. Využíval generátor umístěný na zemi a byl podepřen lany připojenými k hornímu ložisku, které umožňovalo otáčení celé věže (podobně jako Darrieusova turbína). Po opuštění pozemního generátoru bylo vyvinuto pět nových prototypů o výkonu 300 kW, které měly velký vícepólový kruhový generátor umístěný na vrcholu věže na stativu. Poté, co se počátkem roku 1995 jedna turbína zničila kvůli problémům se svařováním, byly ostatní stroje vyřazeny z provozu a nakonec v roce 1997 demontovány. To také vedlo k opuštění vývoje 1,2 MW verze konceptu financovaného EU a to byl také konec tohoto snažení VAWT.

Za zmínku stojí, že Heidelberg instaloval svou menší, 20 kW verzi pro extrémní prostředí v německém výzkumném zařízení na Antarktidě, která údajně fungovala 15 let, než byla v roce 2008 vyřazena z provozu.

Neustálé snahy

Pokud ani němečtí inženýři nedokázali zajistit, aby VAWT vydržely pohromadě, dalo se tušit, že tato koncepce musela být po polovině 90. let minulého století jistě opuštěna. No nestalo se tak, i když trvalo až do roku 2010, než byl postaven další prototyp H-rotoru pro užitkové účely, tentokrát švédskou společností Vertical Wind AB.

V roce 2010 postavili poblíž Falkenbergu na západním pobřeží Švédska prototyp o výkonu 200 kW s přímým pohonem a proměnlivými otáčkami. Turbína s věží z vrstveného dřeva a vícepólovým PM generátorem s přímým pohonem vlastní výroby sloužila především k měřením, ale je stále v provozu, i když s omezenou rychlostí větru. Společnost Vertical Wind zastavila svůj vývoj poté, co v roce 2010 ztratila klíčového investora, ale generátory stále vyrábí.

Podobně jako programy DAF Indal a ALCOA VAWT ze 70./80. let byly iniciativami výrobců hliníku, polská společnost Anew Institute VAWT, která je aktivní dodnes, je dceřinou společností výrobce oceli Stalprodukt SA. Společnost Anew postavila v roce 2015 prototyp o výkonu 200 kW a v roce 2017 především prototyp o výkonu 1,5 MW, který je z hlediska instalovaného výkonu druhý největší VAWT vůbec, ÉOLE. Není překvapením, že na konstrukci je použito co nejvíce oceli, ale naštěstí jsou alespoň lopatky vyrobeny ze skleněných vláken.

Co plovoucí VAWT?

Plovoucí větrné turbíny byly (například obchodním sdružením WindEurope) označeny za klíčovou technologii umožňující významné rozšíření větrné energie na moři. Nízké těžiště VAWT se dobře kombinuje s plovoucí plošinou, což způsobilo oživení zájmu o tuto koncepci a v průběhu roku 2010 byla zahájena řada projektů plovoucích VAWT.

MODEC, japonská společnost specializující se na plovoucí plošiny pro ropný a plynárenský průmysl, například vyvinula plovoucí hybridní systém výroby energie z větrných a přílivových proudů nazvaný skwid (Savonius Keel and Wind Turbine Darrieus). Koncept se skládal z H-rotoru nad hladinou a Savoniovy turbíny sbírající proudy pod ní. Jejich prototyp o výkonu 500 kW se však při uvádění do provozu na přelomu let 2013 a 2014 dvakrát potopil a společnost MODEC od svých ambicí v oblasti VAWT upustila.

Další pokus o komerční využití plovoucích VAWT podnikla francouzská společnost NENUPHAR, jejímž cílem bylo vyvinout plovoucí offshore platformu se dvěma turbínami o výkonu několika MW.

Žádná velká plovoucí VAWT nebyla nikdy nasazena, ale společnost NENUPHAR v roce 2014 instalovala ve Fos-sur-Mer na francouzském pobřeží Středozemního moře prototyp o výkonu 600 kW na pevnině, pro který byly testovány různé konfigurace lopatek. V roce 2018 však společnost NENUPHAR vstoupila do likvidace poté, co ji opustil průmyslový partner.

Mohli bychom zmínit několik dalších snah o vývoj plovoucích VAWT, které aspirují na brzké nasazení velkých prototypů. Tato stručná retrospektiva se však omezuje na projekty, které bez ohledu na konečný výsledek zahrnovaly skutečnou výstavbu vertikálních osových turbín v užitkovém měřítku. Proto jsou zde tyto „papírové“ projekty vynechány, ale mohly by být předmětem budoucí zprávy.

Plovoucí nika oživuje zájem

Shrnem lze říci, že z téměř vymřelé koncepce větrných turbín se svislou osou se v posledních několika letech těší obnovenému zájmu, zejména pro plovoucí platformy na moři. Konkurovat koncepci s horizontální osou, která je od doby, kdy v 80. letech minulého století porazila VAWT jako standard větrných turbín, technologicky stále vyspělejší, je stále obtížnější, ale plovoucí nika na trhu by mohla být příležitostí, na kterou větrné turbíny s vertikální osou čekaly.

Informace o autorovi: Erik Möllerström The Rydberg Laboratory for Applied Sciences, Halmstad University, PO Box 823, SE-301 18 Halmstad, Sweden ()

Pro více informací o zmíněných VAWT a dalších menších projektech VAWT, které zde nejsou popsány, je k dispozici následující článek s otevřeným přístupem: Möllerström E, Gipe P, Beurskens J, Ottermo F, „A historical review of installed vertical axis wind turbines rated 100 kW and above“, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol 105 (2019).