Szélenergia

A szélenergia megújuló energiafajta, amelynek termelése környezetvédelmi és költségelőnyei miatt rohamos ütemben nő a világban

Fogalma

Szélenergia-hasznosítás: energiahasznosítási módszer, amely folyamatosan erős széljárású területeken, közvetlen munkavégzésre vagy elektromos energia előállítására kialakított szélerőgéppel történik.

Magyarország szélenergia térképe

Szélerő-mérőhálózat pontjai az évi átlagenergia-mennyiség feltüntetésével (W/m2)

 

Elméleti háttere

A szél keletkezése

A szél a levegő földfelszínhez viszonyított mozgása (Környezetvédelmi Lexikon). A légkörben kialakuló nyomáskülönbségek hatására jön létre. A légkör alsó rétegeiben végbemenő légmozgást a Nap sugárzó energiája hozza létre. A légmozgás során a felmelegedett levegő ritkább, ezáltal felfelé emelkedik és helyébe hidegebb levegő áramlik. A trópusi területeken a légtömegek erősebben felmelegszenek, ezért a levegő felemelkedik és a sarkok felé kezd áramlani (antipasszát szél). A pólusok felé haladva lehűl, nyomása megnövekszik, süllyedni kezd, végül a föld felszínén visszaáramlik az egyenlítő irányába (passzát szél). Azon a helyen ahol a meleg levegő fölfelé emelkedett vákuum alakul ki. A légnyomás süllyed és alacsony légnyomású terület keletkezik. Ott, viszont, ahol a levegő ismét a talaj felé süllyed, magas nyomású terület alakul ki.

Az állandó jellegű szélrendszereken kívül időszakos és helyi jellegű szelek is vannak. De csak az állandó jellegű szelek használhatók megfelelően jelentős energiatermelésre.

 

A szél, mint energia

A szélenergiát örök idők óta használja az emberiség, de csak e század második felétől kezdődött el a szél, mint villamos energia előállítására alkalmas energiaforrás felhasználása. Mára viszont elmondható hogy a szélenergiát főleg ilyen célból hasznosítják.

Nem könnyű mérnöki feladat egy szélgenerátor helyének és típusának kiválasztása, ezért van nagy jelentősége a helyszínen végzendő szélméréseknek és a kapott eredmények megfelelő kiértékelésének. A megújuló energiaforrásokat hasznosító berendezések ill. technológiák tervezéséhez általában nagyon szűkösek az alapadatok. Az időben változó intenzitású energiaforrások – így a szél is – esetében különösen nehéz a tervező dolga, mivel csak többnyire a meteorológiai állomások átlagadataira támaszkodhat. Ezek az adatok alkalmasak ugyan általános tendenciák meghatározásához, de nem lehet segítségükkel létesítményt vagy üzemmenetet tervezni. A mérések alapján felvett időben változó szélenergia áramok pontos leírásához, elemzéséhez statisztikai módszerek szükségesek, amelyek már használható információval szolgálnak a berendezések tervezéséhez és üzemeltetéséhez.

További gondot jelent az is, hogy hazánkban már évek óta folyó mérések kizárólag meteorológiai állomások széladatain alapulnak, melyek közvetlenül nem alkalmasak a rendelkezésre álló szélenergia meghatározásához – melyek szükségesek egy szélgenerátor telepítéséhez is – többek között a mérőállomások kedvezőtlen fekvése és környezeti feltételei miatt.

Ezért a telepítendő szélgenerátor helyén, a gép megfelelő kiválasztása céljából helyi szélsebesség és szélirányméréseket kell végezni. Itt kell megemlíteni azt is, hogy szélgépet csak olyan helyen érdemes telepíteni, melynek környezeti viszonyai és domborzati fekvése megfelelő szélenergia kinyerésére, hiszen a domborzat és a különböző tereptárgyak nagymértékben befolyásolják a szél áramlási képét.

A szélsebesség méréséhez általában többpólusú szélirány érzékelővel ellátott kanalas mérőberendezést alkalmaznak, melyek analóg vagy digitális jeleket szolgáltatnak. Ma már inkább elterjedtebb a digitális adatfeldolgozás, amikor is valamilyen adatgyűjtő segítségével a kapott mérési adatokat számítógép segítségével dolgozzák fel.

A szélgépekkel energiatermelés céljából 30-40 méter fölé kell, de legfeljebb 100-200 méter talajszint fölötti magasságig tudunk hatolni, így csak ezen magasság érdekel bennünket. Mivel a mérőberendezést általában csak 10-20 méteres talajszint feletti magasságokban tudjuk elhelyezni, ezért a szélsebességet a megfelelő magasságra át kell számítani. A szélsebesség a talajszint feletti magassággal arányosan nő, mely a széleskörű megfigyelések és mérések alapján a következő formula szerint számítható át:

ahol: v1 – szélsebesség a talajközeli h1 magasságban

v2 – a h2 magassághoz tartozó számított szélsebesség

A szél munkavégző képességét alapvetően a sebessége határozza meg. A mért szélsebességi értékeket az idő függvényében a sebességi görbéken rögzítik. Így adódnak a v=f(t) görbék, amelyek energetikai szempontból legjellemzőbb adatai az időegység alatt elvégzett mérések száma, a mintavételi idő és az átlagolási időtartam.

A sebességi görbékből szerkeszthető az ún. szél gyakorisági görbék, amelyeken a vizsgált szélsebesség éves előfordulása található.

Az átlagos szélsebesség (vá) ismeretében jó közelítéssel megadható az adott helyre vonatkozó szélsebesség gyakoriság a Rayleigh-féle eloszlásfüggvény alkalmazásával.

ahol f(v) a v sebességű szél relatív gyakorisága.

A mérés során kapott adatokat átkell tehát számolni megfelelő magasságra, illetve az egész évre – feltételezve hogy nem végzünk egész évben méréseket – és az így kapott legfontosabb értékek – mértékadó szélsebesség, a napi minimumuk és maximumok stb. – segítségével már meghatározható az adott helyre legjobban megfelelő szélgenerátor karakterisztikája.

Természetesen nagyon fontos a szélirányok mérése, hiszen a túl gyakori szélirányváltozásokat az ilyen nagyméretű gépekkel elég nehéz követni.

A megkívánt karakterisztika alapján szélgenerátorokat gyártó cégek konkrét ajánlataiból lehet a legmegfelelőbb gépet(ket) kiválasztani. Ma már a világon számos cég foglalkozik szélgépek gyártásával, melyek gyártmánypalettája igen széles, a 100-200W-ostól kezdve 2-3MW teljesítményig bezárólag, különböző kivitelű gépeket gyártanak.

 

Villamos hálózat

A szélerőműveket leggyakrabban két féle képen kapcsolják rá a villamos hálózatra:

 

Szigetüzem

Szigetüzemről akkor beszélünk, mikor a termelt villamos energiát saját célra, a közcélú elosztóhálózattól függetlenül hasznosítjuk.

 

A villamos áram hálózatra táplálása

A leggyakrabban alkalmazott felhasználás a villamos áram közcélú elosztóhálózatra való rátáplálása.

A termelt áram villamos hálózatra táplálásának elvi vázlata

A rákapcsolást úgy is ki lehet alakítani, hogy a szélgenerátorral mindkét üzemmódot meg lehessen valósítani.

A szélgenerátor hálózatra való csatlakoztatásánál általában a következő szempontok szerint kell a létrejövő együttműködést megvizsgálni:

• műszaki (generátor típus, csatlakozási pont, védelmi funkciók stb.),
• jogi (Villamos Energia Törvény, IKIM rendelete, az áramszolgáltató üzletszabályzata),
• gazdaságossági.

Általánosan elmondható, hogy a hálózati csatlakozásnál a következő villamos paramétereket kell folyamatosan ellenőrizni:

• feszültség
• áram
• frekvencia

Ha bármely paraméter a megengedet értékhatárokon kívüli értéket vesz fel, a vezérlés a gépet lekapcsolja a hálózatról.

A gép kiválasztás során, a kiválasztott gép konkrét adataival lehet aztán pontosabb gazdaságossági számításokat végezni. Itt kell szólni a szélenergia gazdaságosságáról is, mivel alapvetően meghatározza a telepítési volument. Hosszútávon azonban számolni kell azzal, hogy az összes energiaforrás közül a legtisztábbnak tekinthető semmiféle hulladékot nem bocsát ki. Európai országokban a széndioxid kibocsátás országonként limitált, e szempontból jelentősen megnő a felhasználhatósága, hiszen a telepítése semmiféle korlátok közé nemzetközi egyezmények alapján nem esik.

A jelenlegi árviszonyok okozta esetleges veszteségek enyhítése miatt a szélenergia szinte a világ minden országában államilag támogatott: vagy a termelt energiát támogatják, vagy a beruházást, azaz a berendezés létesítését. Ugyanakkor az is megfigyelhető, hogy sok országban a szélenergia felvásárlási tarifája megközelíti az egyéb erőművek által előállított energia tarifa értékeket. De minden országban 20-40%-al magasabb az energia szolgáltatók által a lakosság irányába eladott energia egységára, mint a szélenergiából nyerhető energia. Ez egyben jelzi, hogy saját célra a szélből energia előállítása ma már szinte minden országban gazdaságos.

Magyarországon az Ipari, Kereskedelmi és Idegenforgalmi Minisztérium 55/1996.(XII.20.) IKIM rendelete foglalkozik a közcélú villamos művek villamos energia vásárlási árainak megállapításával. E rendelet hatálya kiterjed az átvételi kötelezettség alá eső villamos energiára, annak felvásárlási árának meghatározására. 4.1.§-a külön említi a szélerőműben előállított energiát is. A rendelet 1997. január 1.-tol van hatályban. Az első számú melléklet szerint az átvételi árak kiszámíthatók, de a részleteket mindig külön szerződésben is rögzíteni kell.

A szélerőmű által termelt energia – tekintve, hogy az átadás idopőntjai, csúcsai, völgyidőszakai előre nem meghatározhatók, az “általában” kategóriához sorolható, s kis feszültségen a felvásárlási ár 6,0 -7,65 Ft/kW tartományban esik. A rendelet kiegészítése megfogalmazza, hogy az ár kiszámításánál a mindenkori inflációs hatások által befolyásolt árakat kell figyelembe venni.

 

Szélmotorok szárnylapát tervezése

A szárnylapátok tervezésekor figyelembe kell venni, hogy működésük folyamán ki vannak téve a környezet kiszámíthatatlan hatásainak. Mégis biztosítaniuk kell az igényelt teljesítményt a rendszer egész életútja alatt. A szárnylapát tervezése az aerodinamika elméletén alapszik, mivel a lapát egy áramvonalas test amit legjobban a metszetével tudunk leírni. A tervezéshez fontos megérteni az alapvető összefüggéseket. A következő összefüggésekkel kiszámíthatók a legfontosabb paraméterek.

A szélmotor teljesítménye

A szélmotor a levegő mozgási energiáját alakítja át mechanikus energiává. Az ideális teljesítmény:

A vízhúzó szélmotoroknál ezt szivattyúzásra, míg a szélgenerátoroknál villamos energia előállításra használják.

Szélkerékrendszerek

A szélmotorokat alapvetően a gyorsjárási tényező nagyságával különböztetjük meg.

 

A nyomatéktényező a gyorsjárási tényező függvényében

 

A teljesítménytényező a gyorsjárási tényező függvényében

A l tényező a lapátkerék legkülső pontján mérhető kerületi sebesség és a szélsebesség viszonyszáma. Ha l <4 lassújárású, ha l >4 gyorsjárású szélmotorokról beszélünk.

A cp tényező a szél energiájából nyerhető teljesítményt fejezi ki.

A lassú járásúaknál ez l =1-nél a legkedvezőbb, míg a gyorsjárásúaknál l =6-10 is lehet. A teljesítmény-tényezőkből következtethetünk a nyomaték-tényező karakterisztikára is, mivel .

A lassú járásúaknál ( sűrű lapátozásúak ) kis szélsebességnél nagy nyomaték jelentkezik a tengelyen. Azonban a jelleggörbe meredeken csökken mivel a szélsebesség növekedésével a lapát a következő örvényébe kerül.

A gyorsjárásúaknál széles szélsebesség tartományban alakul ki megközelítőleg állandó nyomaték.

 

Szárnyprofilok

A szélmotorok szárnylapátjainak metszetei a szárnyprofilok.

A szárnylapáton jelentkező erők a felhajtóerő és ellenálláserő. Hányadosuk a siklószám. A lapáton egy látszólagos szélsebesség alakul ki, ami az áramló szélsebesség és a kerületi sebesség vektoriális összege.

Ez a lapát sugár függvényében változik és a helyi gyorsjárárási tényezővel fejezzük ki.

A szárnyprofilok különböző állásszögekhez tartozó felhajtóerő és ellenállás tényezőit táblázatokba foglalják és közreadják. Minden profilnak van egy optimális állásszöge. Ez általában 4-8° között mozog.

A sűrű lapátozású, lassú járású szélmotoroknál enyhén konkáv profilú, főként lemezlapátokat alkalmaznak. A siklószám 10-50 között mozog. A gyorsjárású szélmotorok szárnylapátjainak kialakítása általában konvex, ívelt jellegű. A siklószám 80-120 között mozog.

 

Szárnylapát tervezés

A tervezés egy bizonyos vsz szélsebességhez és P teljesítményigényhez történik. Ezt csak a rendelkezésre álló szél és várható terhelések figyelembevételével tudjuk megtenni.

 

 

A szárnylapát metszetei

 

Első feladat, hogy a lapátszámhoz megfelelő l -t válasszunk.

Ezután kiszámítjuk a szükséges szélkerék-sugarat:

A következő műveleteket minden egyes szárnymetszetre kiszámítjuk.

A helyi gyorsjárási tényezőt:

Az áramlás szögét:

A lapát beállítási szögét:

A szárnymetszet hosszát:

A legjobb hatásfok úgy érhető el ha a szárnylapát minden metszetében azonos az áramlás szöge, tehát sugárirányban elcsavarodik és változik a szárnymetszet hossza. Ez igen összetetté teszi a szárnylapát gyártását.

Amikor meghatározzuk a keresztmetszeteket eljutunk a szilárdtest modellhez. A felszerelt lapátkerék általában jobb sodrású.

 

Szilárdsági méretezés

A vízhúzó szélmotorok lapátjait általában fémből, a szélgenerátorokét üvegszálas poliészterből készítik. A szárnylapátra aerodinamikai-, centrifugális-, súly- és dinamikus erők hatnak. Ebből fakadóan hajlító-, húzó-, csavaró- és dinamikus igénybevételek jelentkeznek.

Napjainkban a megfelelő falvastagság eloszlás meghatározásához számítógépes végeselem-módszert alkalmaznak. A kialakuló feszültségállapot színskálán érzékeltethető.

Összefoglalva tehát a lapáttervezés módszere három lépésen alapszik: a szárnyprofil kiválasztása, a szárnylapát tervezése és a terhelések meghatározása. Manapság számítógépes segédleteket alkalmaznak ezen a területen. A tervezési adatok változtatásával testre szabott feladatok oldhatók meg. A tervező így könnyen változtat a geometriai és működési jellemzőkön.

Jelmagyarázat

 

Amennyiben szeretné kihasználni a környezetbarát szélenergiával működő technológiák adta lehetőségeket, az Ön partnere a GKF Development Kft.