Drtivá většina větrných elektráren je dnes horizontální koncept se třemi lopatkami. V Česku zpravidla s výkonem kolem 2 MW, v zahraniční mají běžně dvojnásobek i více. Nezávisle na výkonu a rozměrech mají jedno společné – rotor je opatřen třemi lopatkami, které roztáčí generátor uvnitř gondoly. Proč jen tři? Proč není lopatek více, aby přinesly větší výkon?
Ani jedna, ani dvě
Na větrných čerpadlech, či tzv. farmářských kolech, která známe z westernů, běžně vídáme 10 a více lopatek, které se starají o čerpání vody například pro dobytek. Oproti běžným větrným elektrárnám jde ale o miniaturní zařízení, kde dochází k takřka zanedbatelnému namáhání materiálu, navíc jsou mechanicky mnohem jednodušší.
Hlavním parametrem u velkých rotorů elektráren je stabilita a vybalancování sil působících na hřídel. Na první pohled je jasné, že turbína s jednou lopatkou nebude fungovat, byť se o to konstruktéři pokoušeli. Používali závaží, které vyvažovalo lopatku a těžit chtěli především z nízké hmotnosti celého rotoru.
Větrná čerpadla (která známe z westernů) mohou mít klidně osmnáct lopatek. Jsou však lehčí a jednodušší, takže netrpí neduhy jako velké větrné turbíny
Velmi podobně (byť v praxi využitelný) je na tom návrh větrné elektrárny se dvěma lopatkami. Výhodou je především nízká hmotnost, a tudíž nižší náklady na výrobu. Obě lopatky jsou v rovnováze, takže laickým pohledem by s provozem neměl být problém.
Nicméně v průběhu otáčení se v ose začne projevovat efekt tzv. gyroskopické precese, kdy dojde k nepatrnému vychýlení osy, jež způsobí rozkmitání a rozkývání lopatek. Tím se nadměrně opotřebovává materiál, resp. rostou výrobní náklady, aby k opotřebení nedocházelo. Efekt je zanedbatelný u menších konstrukcí, tudíž na trhu existuje několik výrobců, kteří sériově produkují dvoulopatkové turbíny s výkonem do 300 kW.
Konstrukční optimum
U tří lopatek se gyroskopická precese neobjevuje a konstrukční nároky na elektrárnu nejsou výrazně vyšší. Z pohledu hrubého výkonu by mohly být výhodnější čtyř- či šestilopatkové rotory, v takovém případě je ale třeba opět počítat s mnohem větším namáháním mechanických částí. Tlak větru, který by působil na větší plochu lopatek by si vyžádal jak odolnější osu či převodovku, tak stožár elektrárny.
Výsledkem by byla mnohem vyšší hmotnost celé konstrukce s vyššími náklady, a to jak těmi výrobními, tak těmi vynaloženými na samotnou stavbu. Navíc účinnost s přidáváním lopatek neroste lineárně, šestilopatková elektrárna nevyrobí dvojnásobek energie třílisté. Platí tady tzv. Betzovo pravidlo, které stanovuje účinnost využitelné energie z větru na 59,3 %. Současné třílopatkové elektrárny mají praktickou účinnost kolem 48 %, tedy nějakých 80 % z celkového limitu.
Při konstrukci největších větrných elektráren nad 4 MW jde o maximalizaci výkonu při zachování optimálních provozních vlastností. K tomu mimo jiné mohou pomáhat winglety, které známe z konců křídel letadel
Větší počet lopatek by rovněž omezil rychlost větru, při které může elektrárna pracovat. Zatímco u třílopatkové turbíny to je zpravidla kolem 25 m/s, u šesti lopatek by se hodnota snížila pod 20 m/s. Ani vyšší výkon by tak nenahradil ztráty vzniklé právě nuceným odstavením elektrárny při rychlejším větru.
Tři lopatky jsou optimální i z pohledu obvodové rychlosti, kterou je třeba optimalizovat nejen k co možná nejvyšší účinnosti elektrárny, ale také pro zachování nízkého hluku. Dvoulopatkové elektrárny vyžadují pro srovnatelné či vyšší výkony větší obvodovou rychlost a tím pádem jsou hlučnější. Nedá se tedy zcela vyloučit jejich využití v rámci mořských či přímořských větrných parků, u těch suchozemských se to pravděpodobně nestane.
Bezproblémové škálování
Výhody tří lopatek u větrných elektráren jednoduše překonávají všechny nevýhody a je nepravděpodobné, že by v dohledné době docházelo ke změnám.
Z poslední doby navíc víme, že turbíny se třemi lopatkami lze škálovat i do rozměrů, které jsme si neuměli ještě před několik lety představit. Zatímco u nás se většina elektráren spokojí s výkonem kolem 2 MW (tuzemským maximem je od letošního roku 4,26 MW Žipotínské elektrárny), v Číně vyrostl během léta kolos s výkonem 16 MW. V jeho případě vygeneruje jediné otočení rotoru až 34,2 kWh energie.