11. A SZÉLENERGIA HASZNOSÍTÁSA

Átírás

1 A SZÉLENERGIA HASZNOSÍTÁSA Fejlődési trendek A szél egyike azoknak a természeti energiaforrásoknak, amelyet az emberiség régmúlt idők óta használ. A szél mozgási energiája, mechanikai munkává alakítva többek között felhasználható villamos generátorok hajtására. A technikatörténet során műszaki szempontból különféle megoldások kerültek kialakításra, mégis mára a vízszintes forgástengelyű szélgenerátor vált a legelterjedtebbé. Ennek oka a jelentős többlet villamosenergia-termelés más műszaki megoldásokhoz képest. Jelenleg a világ szélerőmű-kapacitása mintegy MW (11.1. ábra) ábra A szélerőmű-kapacitás növekedése a világban ( ) (forrás: WWEA, World Wind Energy Report 2009) A szélerőművek hatásfoka függ a telepítés helyétől és az egymáshoz való elhelyezkedéstől. Ezek figyelembevételével alapvetően két-két megoldás ismeretes: a tengeri és a szárazföldi, valamint az egyedi és a csoportos telepítés. Magyarország viszonylatában a szárazföldi jellegű erőművek közül az egyedi és a csoportos telepítés jöhet számításba. A szélerőmű lehet hálózati, vagy szigetüzemben, de a szélerőműpark, mint komplex energiatermelő egység is megjelenhet. Az új konstrukciós aerodinamikai megoldások kialakításán keresztül a számítástechnikai szoftverfejlesztésig minden műszaki terület dinamikus fejlődésnek indult. Új lapátprofilok, nagyobb és jobb hatásfokú generátorok, magasabb tartóoszlopok, hosszabb szárnylapátok, új anyagszerkezeti megoldások, könnyebb konstrukciók, hatékonyabb és megbízhatóbb vezérlési megoldások, pontosabb mérőrendszerek és adatfeldolgozás, az energiatermelést befolyásoló tényezők egyre szélesebb körű figyelembe vétele mai korszerű szélerőművek jellemzői. A fejlesztések további pozitív eredménye azonos teljesítményű erőműveknek kisebb területigénye, tehát javul a terület kihasználás. Dániában például az 1980-as évek es szélgenerátor darabszámával szemben 2005-re már csak 5590 darab erőmű állt. Ezek a dán villamosenergia-igény 20%-át biztosítják a korábbi 10%-kal szemben. A technológiai fejlődés lehetővé tette, hogy a 80-as évektől kezdődően, a tengerpartokról egyre inkább a szárazföldek belseje felé telepítsék a generátorokat, oda ahol az

2 273 energiafelhasználás folyik. Ezáltal az energia szállítási-vesztesége és a létesítés költsége is csökkent ábra A szélgenerátorok fejlődési trendje (2010 év: 7000 kw, 130m oszlop, 130 m rotor átmérő) (forrás: Jos Beurskens, ECN 2005) Szárazföldi körülmények között az úgynevezett másodosztályú szelek jellemzőek. Itt jelentősebb a turbulencia, és a nagyobb energiatartalmú áramlatok csak nagyobb felszín feletti magasságokban fordulnak elő. Éppen ezért a fejlesztések egy jelentős része az oszlopok magasságának növelésére irányult. Mivel szárazföldön műszaki szempontból az ipari létesítményekhez, villamos elosztó berendezésekhez a lehető legközelebb építhetők fel a szélerőművek, számos hálózatfejlesztési és hálózatterhelési probléma is megoldódott A szélenergia-hasznosítás elmélete A szélről általában A szél egyike azoknak a természeti energiaforrásoknak, amelynek szerepe az emberiség története során többször is változáson ment át. Keletkezése alapvetően arra épül, hogy a földfelszín által elnyelt napsugárzás nagyobb mértékű az egyenlítőnél, mint a sarkoknál és leegyszerűsített megközelítéssel a légtömegek az egyenlítőtől a sarkok felé áramlanak. Ezt a Föld forgása módosítja, s ezzel számos örvénylés alakul ki mind az északi, mind a déli féltekén. A keleties szélövekben a légkör impulzusmomentumot nyer, a nyugatias szélövben a légkör impulzusmomentumot ad le. A változó sebességgel áramló levegő mozgási energiája munkavégzésre képes. Ez a munkavégző képesség a gázok áramlási törvényei alapján a sebesség harmadik hatványával arányos. Éppen ezért rendkívül jelentős hatást gyakorol a villamosenergia-termelésre. A globális széljárás A légáramlást az egyenlítő és a trópusok között, az úgynevezett Hadley-cirkuláció irányítja.

3 274 A légtömeg az egyenlítőtől száll felfelé a trópusokig. A lehűlt levegő kb. a 30-as szélességi foknál ereszkedik le. A felszíni szél aztán visszatér az egyenlítőhöz keleti irányból. Ezt hívjuk passzátszélnek, mely egész évben megfigyelhető. Ezen a területen csak kis ingadozás tapasztalható a szélsebességben, mely általában elég nagy az energiatermeléshez. A közepes szélességi fokoknál megfigyelhető áramlásokat az atmoszférában az úgynevezett Rossby- hullámok irányítják, összekeverik a sarkok közeléből származó hideg levegőt a trópusi, melegebb levegővel. A légáramlás ezen a területen jellemzően nyugati, de a keveredések a szélsebesség nagy változékonyságához vezet, s frontok képződnek. Az északi félgömbön a nagy vízfelületek és a kontinensek eloszlása hatással van a nyugati áramlásra. A hegyvidékek részben lelassítják, részben el is terelik az áramló légtömegeket. A sarki területeken a felszínt borító jég visszaveri a beérkező nyári napsugárzást, s a folyamatos hűtő hatás állandó anticiklonos állapothoz vezet. Jellemzőek az igen erősek a keleti szelek. A szél változásai A szél sebessége folyamatosan változik, ami jól érzékelhető bármely anemométeres szélsebesség mérés során. Ha a hosszú távú szélsebesség-mérési eredményeket, mint idősorokat átalakítjuk gyakorisági függvénnyé, akkor egyfajta energiaspektrumot kapunk, vagyis megismerhetjük, hogy mely szélsebességek tartalmazzák a legtöbb energiát. Ez alapján megbecsülhetjük a kinyerhető energia mértékét is. A mérsékelt égövet két kiemelkedő érték jellemzi. Az egyiket a nagy időjárási rendszerek elhaladása, a másikat pedig ezen áramlatokban lévő turbulencia okozza. Az utóbbi a széllökésekben észlelhető. Hatása az energiatermelésre nem jelentős, de fontos a lapátokat, és az oszlopokat érő dinamikus terhelés miatt. Az energiatermelés, a gyakori szélirányváltozásoktól függően csökken, hiszen a turbina nem minden esetben áll közvetlenül a szél irányában, és az irányba állási idő és az energiafelhasználás miatt a hatásfok csökken. A várható energiatermelésben jó átlageredményt a szélgenerátorok nagy területen történő csoportos elhelyezése jelent, ami által a helyi szélsebesség különbségek kiegyenlítődnek. Természetesen még ekkor is előfordulhat, hogy egy-egy nagyobb anticiklon hatása miatt napokon keresztül az egész térségben csak gyengén fúj a szél A szél mozgási energiája A szél a légkör termikus egyensúlyának megbomlásából eredő légmozgás, azaz a levegő áramlása.

4 ábra Az energia kinyerés jellemzése D- a lapátkerék átmérője, A- a lapátok által súrolt felület, V- a szél pillanatnyi hatásos és adott magasságban átlagos sebessége, h- a lapátkerék tengelyének magassága a talajtól, VSZ- a szél valóságos sebessége az adott magasságban, ESZP- a számítással nyert exponenciális szélprofil a magasság függvényében Az A keresztmetszeten, v sebességgel átáramló légtömeg tömegárama: m* = ρav [kg/s], amelynek egy másodpercre vonatkozó mozgási energiája: P e = ( ρ A v) v = ρ A v [W], 2 2 Ahol: ρ - a levegő sűrűsége [kg/m 3 ], A a vizsgált (pl. generátoroknál a rotor által súrolt) felület [m 2 ], v - a zavartalan szél sebessége [m/s]. Az egyenlet három tényezőre is felhívja a figyelmet: - A szélenergia arányos a levegő sűrűségével. Vagyis a magasabb hegységekben ugyanahhoz a szélsebességhez kevesebb energia tartozik. - A szélenergia a szélsebesség köbével arányos, ezért igen fontos a nagy átlagos szélsebességű helyek kiválasztása. (10%-kal nagyobb szélsebesség ~30%-kal több energiát jelent.) - A szélgenerátoroknál a szélenergia arányos a rotor által súrolt felülettel, vagy a rotor átmérőjének a négyzetével A szélerőmű teljesítménye: Minél több energiát hasznosít egy szélerőmű a szélből, annál inkább fékezi az áramlást. Amennyiben az összes energiát hasznosítanánk, a rotor mögött nulla lenne a szélsebesség, ami tulajdonképpen azt jelentené, hogy a szél nem is hagyná el a szélerőművet. Azonban ebben az esetben egyáltalán nem tudnánk hasznosítani az energiát, mivel a szél a rotor másik oldalára nem gyakorolna hatást. Az ideális szélerőmű, a mindenkor uralkodó szélsebességet 2/3-ával csökkenti. Ennek megértésére energetikai és aerodinamika törvényeket (Bernoulli, Prandtl és Betz) kell a szélerőművekre alkalmazni.

5 276 A Betz törvénye szerint a szélerőmű a szél kinetikus energiájának legfeljebb 16/27-ed részét (59%) tudja mechanikai energiává alakítani. Ezt a törvényt Albert Betz német fizikus 1919-ben alkotta. Egy szélerőmű elméleti maximális teljesítménye az alábbi összefüggéssel határozható meg: kg m N m J P p A ρ v [W], 3, 27 2 s, s s ahol, P p = a szélerőmű elméleti maximális teljesítménye [W] A = a szélerőmű rotorjai által súrolt felület (D 2 π/4) [m 2 ] ρ = a mindenkori levegő sűrűsége [kg/m 3 ] v = a levegő sebessége [m/s] 16/27 = a Betz féle maximum teljesítmény tényező (C p ), az erőmű elméleti maximális és a szél mozgási energiájában lévő (lehetséges) teljesítmény viszonya. A valós villamos teljesítmény ennél kisebb: 16 Pvill ηö A ρ v ahol: átviteli hatásfok = ηö = η l η m η v = aerodinamikai x mechanikai x villamos technikai ábra A teljesítménytényező nem más, mint a teljesítményviszony azaz közvetlen az erőmű előtti (V 1 ), valamin az erőművet közvetlen elhagyó (V 2 ) szélsebességek viszony P p = az erőmű elméleti maximális és a P o = szél mozgási energiájában lévő (lehetséges) teljesítmény viszonya és Az adott generátorral termelhető villamos energia mennyiségét alapvetően a pillanatnyi átlagos szélsebesség határozza meg. A légkör termikus jellegétől és a domborzat tagoltságától függően kisebb-nagyobb széllökések keletkeznek. Ennek hatására mind a szél sebességében, mind pedig irányában pillanatnyi változások következnek be. Ezen a változások jól érzékelhetők, ha a szél struktúráját úgy képzeljük el, mint különféle méretű, háromdimenziós örvények sorozatát a fő áramlás mentén. Ezt nevezzük turbulenciának. A turbulenciának is van hatása az energiatermelésre, de nem közvetlen módon, mivel a szélerőművek nem képesek a szél sebességének, vagy irányának változására azonnal reagálni A szél időbeli változásának jellemzői

6 277 Egy terület szélenergetikai jellemzése során gyakran az éves átlagos szélsebesség értékét adják meg. Egyetlen adat azonban elfedi a rövidebb ideig tartó változásokat. Mivel a termelhető villamos energia a szélsebesség köbével arányos, az ilyen jellegű elhanyagolás, illetve átlagolás jelentős eltérést okozhat az éves energiapotenciál becslésénél. E probléma a széladatok részletes, éves adatfelvételével megszűntethető. Ezért az energetikai szélmérés gyakorlatában 1 60 másodperces mintavétel átlagából képzett, 1 10 perces adatrögzítés terjedt el. A mérés során minden szélirányban tárolni kell a szélsebesség nagyságát, és végül éves szinten kell kiértékelni a kapott adathalmazokat. Így kapjuk az adott terület széljárásának statisztikai leírását. A legjobb statisztikák készítéséhez a méréseket éveken át tíz évig kell folytatni ahhoz, hogy az egyes évek közti eltéréseket is figyelembe tudjuk venni. Számos statisztikai eloszlásfüggvényt próbáltak ki a szélsebesség leírásához. A kétparaméteres Weibull-eloszlás bizonyult a leginkább alkalmasnak erre a célra azáltal, hogy a legjobb pontossággal illeszkedik az adatsorokra. k 1 k v c k v f ( v) = e c c [%] ahol: v = a zavartalan szélsebesség [m/s] c = méret tényező [m/s] k = alaktényező. Hazánkra a k 2,0 tényező a jellemző (az értéke a mérések alapján számítással határozható meg) ábra A Weibull eloszlás alakulása különböző k értékek esetén (forrás: Tóth 2005) A szélsebesség-eloszlás matematika leírása lehetővé teszi a szélerőmű teljesítményjelleggörbéivel való összevetést. Így megkapható a szélerőmű éves energiahozama. Továbbá lehetőség nyílik olyan konstrukció kiválasztására, amely lehetővé teszi adott helyszínen, a legnagyobb üzemi hatásfok elérését. Az átlagos teljesítmény a K F kihasználási tényező (értéke 0,16 0,45) bevezetésével: P G,átl = P Gn K F ρ 3 = η ö C p A2 vn KF (kw) 2

7 278 Ahol: P Gn a névleges teljesítmény, az n számú tartományra osztott szélsebesség átlagértékek (v n ) alapján. η ö az aerodinamikus, a villamos és a mechanikus hatástényezők együttesen (kísérletekkel kerül meghatározásra a szélsebesség teljesítmény-, ill. a szélsebesség teljesítménytényező diagramok alapján, amelyeket a gyártó szolgáltatja). A jelleggörbék tájékoztatnak arról a maximális szélsebességről is, amelyet a gépek még képesek felhasználni, vagyis a leszabályozásuk nem kezdődik meg. A szélerőmű éves energiatermelése: E K F P 8760 (kwh/év). = Gn A szél sebességének változása a talajtól távolodva A szélsebesség tetszőleges h magasságban számítható, ha adott h g ismert magasságban ismert az értéke. A szél magasságtól való függése exponenciális összefüggéssel fejezhető ki: ahol: v v = g h g α h (m/s) v -a keresett szélsebesség (m/s), a h - magasságon (m) v g - az ismert szélsebesség (m/s), a h g - mérési magasságon (m) α - Hellmann tényező ábra A felszíni egyenetlenségek befolyásoló hatása a függőleges szélprofilra (forrás: EWEA 2006) A terep egyenetlensége, a beépítés sűrűsége, a meglevő építmények nagysága, valamint a növényzet összetétele és jellege (ez utóbbi miatt az évszakok változása is) határozza meg az α értékét (11.6. ábra). Az α kitevő értéke a felszín érdességétől függően (durva közelítéssel) a következőképpen alakul: Sík mező 0,12 Nyílt terep 0,16 Erdős síkság 0,28 Város alacsony épületekkel 0,35 Város magas házakkal 0,50

8 279 A szélsebesség és a domborzat, akadályok A domborzat különösen meghatározó a felszín közeli szélviszonyokra ábra: A domborzat enyhe változásának hatása A 10-20%-nál kisebb domborzati meredekség változás, a mozgó légtömeg áramvonalainak irányváltoztatásával és azok besűrítése által, jelentősen felgyorsítja a szélsebesség vektor vízszintes irányú komponensét. Ezáltal kedvező áramlási feltételt teremt a szélerőművek üzemeltetéséhez a dombtetőn. E miatt, a szélerőművek elhelyezésénél nagyon fontos a helyi domborzati adottságok ismerete. Ez a kedvező hatás, a szélerőművek oszlopmagasságának emelésével tovább növelhető. Bizonyos domborzati viszonyok, valamint a felületi érdességet meghatározó felszíni, tájalkotó elemek hatása azonban már hátrányosan befolyásolja a légtömegek áramlását, akadályt képeznek a szél útjában. Épületek, magas fák, a domborzat hirtelen változása, a 20%-nál nagyobb lejtő, illetve emelkedő, turbulens hatást váltanak ki, valamint mögöttük jelentős mértékben lecsökken a szél sebessége (11.8. ábra) ábra A sűrű növényzet (akadály) hatására kialakuló turbulencia Mivel a dombok ritkán szimmetrikusak, ezért egyes irányokból igen jó áramlási kép alakulhat ki, míg más irányokból kifejezetten kedvezőtlen. Számos numerikus modell van a domborzat hatásának elemzéséhez, de a legtöbb dombos vagy hegyvidéki terület komplexitása igen megnehezíti a helyzetet. Az atmoszferikus stabilitás gyakran szintén légmozgást okoz, melyet nehéz előre jelezni. Ezen okok miatt a leendő telephely előzetes felmérése alapvető, meghatározó fontosságú feladat. A kisméretű szélmotorok és szélgenerátorok telepítésénél követik el a legtöbb hibát: Nem végeznek szélmérést, A helyet hibásan választják meg (pl. szélárnyékba telepítenek), A várható zajhatást nem veszik figyelembe,

9 280 A hálózati csatlakozást előzetesen az illetékes áramszolgáltatóval nem tisztázzák. Szigetüzem esetén a teljesítmény és az energiatárolási lehetőség hibás kiválasztása. Nagymértékű csúcsfogyasztások esetén hibrid rendszer alkalmazása előnyösebb lehet (pl. robbanómotoros generátor beállítása). A helykiválasztás és az akadályok A hibás telepítések tipikus esetei azok, amikor a szélgenerátor működő felületét un. szélárnyékba helyezzük. Családi ház esetén a generátor magassága min %-al legyen magasabban, mint a közeli épületek gerincmagassága. A szél csak ebben a magasságban lehet megközelítőleg zavarmentes (11.9. ábra) ábra Szélviszonyok a családi házak közelében A hibás és az elfogadható elhelyezéseket a ábra szemlélteti ábra Kisméretű, un. háztartási méretű (Teljesítmény< 50kW e ) szélgenerátorok elhelyezési lehetőségei (helyes, helytelen X) A- néhány házból (épületből) álló tanya, farm,, B- település, falu, kisváros, C- nagyobb épület blokkokból álló lakótelep, üzem, D- nagy fedélsíkú épület, pl. városszéli nagyáruház, E- Egyedül álló családi ház (az alsó csak akkor, ha a fő szálirány ban azono és s jelzettnek megfelelő.

10 A szél mérése A szélsebesség sosem állandó, az időfolyamán változik. A széllökéseket és a turbulencia mértékét a helyszín és az érdesség erősen befolyásolja. A kontinensek belseje felé haladva és a nagyobb felületű sík vidékeken egyre inkább nyugodtak a szélviszonyok, mivel itt a légtömegek szabadon áramolhatnak. A viharoktól eltekintve leginkább a tengerek, illetve az óceánok felett válik egyenletessé a szél mozgása. A szélsebesség mérésére szolgáló műszereket anemométereknek nevezzük. Legelterjedtebbek a függőleges tengelyű forgókanalas szélsebességmérő. Ezek függőleges forgástengelyű műszerek. A vízszintes síkban forgó kerék rendszerint három vagy négy küllőjére, műanyagból készült félgömböt erősítenek. A szélnek kitett érzékelőrész forgásba jön, bármilyen legyen is a szélirány, mert a kanalak homorú felületére a szél nagyobb nyomóerőt gyakorol, mint a domborúra. A kanál-körülfordulások időegységre vonatkoztatott számából meghatározható a közepes szélsebesség ábra Kanalas anemométerek Az akusztikus szélmérő: A ábrán egy akusztikus szélmérő érzékelő részének felépítését látjuk. A speciális fémkereten 6 db kettős rendeltetésű (hangkibocsátó és érzékelő) mérőtest helyezkedik el. Az egyes mérőtestek által kibocsátott hangimpulzusok a széliránytól és szélsebességtől függően különböző időbeli eltéréssel jutnak el a többi mérőtesthez. Mindezt elektronikus berendezés értékeli és a kapott jelek bonyolult halmazából rekonstruálja a szélvektor háromdimenziós változásait ábra Az akusztikus szélmérő érzékelő teste (forrás: Makra 1991)

11 282 A SODAR: A SODAR (SOnic Detection And Ranging) egy olyan távérzékelési eszköz, amely a hanghullámok segítségével méri a szél irányát és sebességét. A Doppler jelenség következtében a kibocsátott és visszatérő jel frekvenciájában történő változás mérése alapján meghatározható az áramló levegő mozgási sebessége és a mozgás iránya. a) A SODAR mérési elve b) A 64 darab hanglokátor ábra A SODAR működése (forrás Varga et al. 2005) A SODAR kiemelendő előnyös tulajdonsága, hogy a szélerőmű teljes üzemi magasságából szolgáltat a szélsebességre, szélirányra és a szélnyírásra vonatkozó adatokat. 1,5 m/s ábra A 85 m magas szélmérő oszlopon mért adatok alapján számított átlagos szélprofil (a szélsebesség különbség 1,5 m/s a két különböző gondolamagasságú gépnél, jelezve az oszlop magasságának jelentőségét) H (m) Generátor v (m/s)

12 A szélgépek konstrukciós kialakítása Mozgási energiát felhasználó trendszerek A szélerőgépek segítségével a szél kinetikai energiája alapvetően mozgási, vagy villamos energiává alakítható át. A szélmalmok, szélmotorok a mozgási energiát közvetlen hasznosítják, Ma a szélmotorok elsősorban a szivattyúk hajtása jöhetnek számításba, amelyekkel víztárolókat töltenek fel, vagy légtartályokat feltöltő légsűrítő berendezéseket hajtanak. Az így tárolt energiát a későbbiekben pl. olajmotorok, vízturbinák, vagy különféle légmotorok hajtására lehet felhasználni. Az ábrán a jelenleg is gyártásban lévő vízhúzó változatok láthatóak. Ezek közül a legnagyobb darabszámban az amerikai rendszerű sűrű lapátozású szélmotorokat gyártják ábra Szivattyúkat hajtó szélmotorok A) dugattyús szivattyú amerikai rendszerű ; B) membránszivattyú amerikai rendszerű ; C) csavarszivattyú; D) centrifugál szivattyú; E) többfokozatú centrifugál szivattyú; F) csigaszivattyú; G) kanalas láncos vízemelő; H) mamutszivattyú (forrás: Tóth Horváth, 2003) A legelő (és szabadban élő) állatok bőséges és folyamatos ivóvízellátása elsőrendű termelési követelmény. Fontos, hogy az ivóvíz fertőzésmentes és o C hőmérsékletű legyen. A naponta kijáró állatoknál számosállatonként átlagosan 45 liter/nap, az állandóan kint tartózkodóknál liter/nap vízzel kell számolnunk. A vadgazdaságokban (vadaskertekben) ezeket a berendezéseket itatók, dagonyázók töltésére is használják. Általában 2 4 m átmérőjű szélkerék a m magas, háromlábú rácsszerkezetű állványon függőleges síkban helyezkedik el. A kerék forgását kulisszás, vagy forgattyús hajtómű alakítja át alternáló mozgássá. A függőleges síkban mozgó dugattyúrúd lökete mm. A csőkútba helyezett mm belső átmérőjű dugattyús szivattyú vízemelő magassága 10-40m. A dugattyú telepítési mélysége függ: a kút vízhozamától és a víz nívó talajszinttől mért mélységétől.

13 284 A liter/min vízhozamú kutakban elégséges, ha a dugattyú 2 3 m-rel van a vízszint alatt. Kisebb vízhozam esetén a dugattyút célszerű 5 10 m-rel kell a víztükör alá telepíteni, hogy a gyorsabb forgásnál jelentkező nagyobb mennyiségű víz kiemelésekor sem tudjon a szívóoldali rendszer "belevegősödni" ábra Amerikai rendszerű sűrűlapátozású szélmotorok

14 ábra A legelőre telepített vízhúzó szélmotor és tartozékai 1- lapátkerék (8), 2- állvány, 3- dugattyús, vagy membrán (7) szivattyú, 4- nyitott tároló tartály, 5- úszószelepes itató vályúk, 6- hidrofor tartály a távolabbi itatók ellátása céljából A sűrű, amerikai lapátozású szélmotorok már igen enyhe szélben (2,2 m/s) is elindulnak. Ha a légmozgás sebessége eléri a m/s-ot, önmagukat "leszabályozzák", szélirányba fordulnak a lapátkerék forgási síkjával, és megvédik a szerkezetet a túlpörgés nagy centrifugális ereje okozta mechanikus deformációktól.. Gyenge szélben a szélenergia maximális kihasználása céljából a kerék teljes átmérőjével automatikusan az uralkodó szél irányába fordul. A lapátkeréken létrejövő szélerő támadási pontja és a hajtómű függőleges forgás pontjának távolsága által meghatározott erőkarral képzett nyomaték ereje ugyanis olyképpen helyezkedik hat, hogy az említett nagyobb szélsebességnél a kereket, az iránytartó farok (sárkány) stabilizáló erejével ütközve fokozatosan a szélirányba állítja a kerék forgási síkját. Ezzel a szél kerékre ható ereje a minimumra csökken. Viharos szélben tehát a szélkerék nem működik teljes kapacitással. A viharos széllökések szüneteiben viszont folytatja működését, mivel a 10 m/s-nál kisebb szélben ismét automatikusan a szélirányba áll. A szélmotorok működése felügyeletet nem igényel. Karbantartásuk évente egy-két alkalommal a csúszófelületek olajozásából, ill. zsírozásából áll. A legelőterületekre telepített szélmotorok mellé m 3 -es tárolótartályokat is felépítenek azzal a céllal, hogy szélcsendes napokon is vízhez jusson a gép közelében legelő állatcsoport Villamos szélerőgépek, szélgenerátorok A szélerőgépek másik változata a kinetikai, majd a mechanikai energiát villamos energiává alakítja át. Ezeket a berendezéseket már szélerőműveknek (háztartási méretű: <50kW, és kiserőművek: kw) nevezzük. A jelenlegi korszerű szélerőművek vízszintes tengely elrendezésűek, mely megegyezik a szél jellemző irányával. Csoportosításuk a vízszintes tengelyen lévő lapátok száma és elhelyezése szerint is történhet ( ábra). Legegyszerűbb változatot képez az egylapátos kivitel, mely egyszerű szerkezeti kialakítást takar, viszont nagyobb berendezéseknél akadályt jelent a lapát kiegyensúlyozása (különösen a teljesítmény növelésénél). Egy, kettő, három és soklspátos Széllel szemben és széllel háttal ábra A szélerőművek lapátozása A legjellemzőbb a 3 lapátos konstrukciós kialakítás, amely a világ szélgenerátor állományának nagyobb hányadára és a legújabb típusokra is jellemző. Másik jellemző csoportosításuk az alkalmazott generátor szerint történhet. Így megkülönböztetünk szinkron és aszinkron rendszerű generátorokat. A teljesítmény szerinti felosztás Az alapvető kiviteleket három csoportra sorolhatjuk:

15 286 A kicsi, különálló turbinák csoportja (háztartási méretű: <50kW), amelyeket akkumulátor töltésére, vagy fűtésre használnak (10 kw tartomány alatt). Ezek, gazdaságosság szempontjából a villamos hálózatoktól távol eső helyeken a legsikeresebbek ( és ábrák) ábra 5,0-10,0 kw teljesítményű generátor, családi ház mellett ábra 3,0 kw teljesítményű generátor farmra telepítve Alapkivitelben a generátorok akkumulátorokat töltenek és a tárolt energiát a későbbiek során a célnak megfelelően alakítják át. A legegyszerűbb alkamazás, amikor a háztartási berendezések közvetlen az akkumulátorok egyenfeszültségéről működnek (rádiók, televíziók, hűtőszekrények, stb.). Előnyösebb lehet, ha a telepekben tárolt energiát invertereken keresztül ismételten váltakozó feszültségű (a hálózatból nyert háztartási villamos energiához hasonló feszültségű és periódusú) 50 Hz es energiává alakítják át, s így a hagyományos háztartási berendezések közvetlenül üzemeltethetők. Az így nyert energia költsége többszöröse lehet a hálózatból nyert villamos energiának, vagyis olyan helyeken, ahol hálózati villamos energia is rendelkezésre áll, kevésbé gazdaságosak. Amíg a nagy szélerőműveknél a Cp értéke ~0,5, addig a kisebb, különösen a háztartású gépeknél a 0,3 már kedvező értéknek számít. Speciálisak a hibrid energiarendszerek közepes méretű szélturbinái (10 50 kw tartomány), amelyeket más energiaforrásokkal is kombinálnak, pl. fotoelektromos panelekkel, vagy dízelgenerátorokkal ( ábra).

16 ábra Kiserőmű családi háznál (szél + napcella= hibrid ) A villamos energia közvetlen felhasználása Villamos rendszertől távoli területeken alkalmazható rendszer tartalmazza a biztonságos energiaellátás elemeit. Megfelelő tároló akkumulátor kapacitás kell, hogy a szélmentes időszakok áthidalhatók legyenek. Ilyen rendszer csak a felhasználási szokások ismeretében tervezhetők ábra Helyi villamos hálózat ellátása és akkumulátor töltése (5,0-15,0 kw) A- vezérlő és szabályzó, B- fűtőegység, C- inverter, D- akkumulátorok, E háztartási berendezések meghajtása, F vízszivattyú, G- TV, rádió, videó, stb. Külön csoportba tartoznak a közép- illetve nagyméretű szélturbinák, melyek teljesítménye a 80-as évek óta 100-ról 3000 kw-ra nőtt. A tengeri körülmények között üzemelők teljesítménye meghaladja az 5,0 MW-ot. A hálózatba kapcsolt szélgenerátorok gyakran un. szélfarmon üzemelnek. Napjainkban a legelterjedtebbek a háromlapátos, vízszintes tengelyű kivitelek, amelyek fix, vagy vezérelt fordulatszámmal működnek. Kontinentális viszonyok között a változó fordulatszámú megoldások számos előnnyel rendelkeznek. Egyre hatékonyabb alkalmazásukat a mikroelektronika nyújtotta lehetőségek és a célraorientált szoftverek is segítik. A szélerőművek üzemeltetéséből eredően közvetve, vagy közvetlenül számos más energiahordozó állítható elő ( ábra), mindezek közül az egyik legjelentősebb a villamos energia előállítása.

17 ábra A szélerőművek üzemeltetéséből származó energiatermelési lehetőségek (forrás: Tóth Horváth, 2003) Villamos szélerőművek A villamos energia előállítására alkalmazott szélerőművek alapvetően két generátor típussal kerülnek kialakításra. A szélerőművekben alkalmazott generátorok a hagyományos erőművekben alkalmazott generátorokhoz képest jelentősen eltérő alkalmazást jelentenek. Itt ugyanis a forrás oldali mechanikus energia folyamatosan változik, nagysága tág határok között ingadozik. A nagyobb teljesítményű (150 kw felett) szélgenerátorok általában háromfázisú áramot állítanak elő V feszültségértéken. Ez a feszültség a szélerőműben, vagy a szélerőmű mellett elhelyezésre kerülő transzformától segítségével, a helyi hálózati feszültség függvényében kv-ra lesz feltranszformálva. A szélerőművekben alkalmazott generátorok lehetnek szinkron, vagy aszinkron üzeműek, melyeket direkt, vagy indirekt csatlakoztathatunk a helyi villamos hálózatra.

18 ábra Villamos szélerőmű fő egységei ábra Villamos szélerőmű közvetlen hajtással (Enercon, 170 pólusú generátorral) 1- lapát, 2- lapátforgató motor, 3- burkolat, 4- tengely, 5- csapágy, 6- szélsebesség- és széliránymérő, 7- alkatrész daru, 8- tengely felfogása, 9- hűtőventilátor, 10- állvány, 11- generátor forgórész, 12- generátor állórész Közvetlen kapcsolat abban az esetben hozható létre, amennyiben a szélerőmű a hálózati feszültséggel azonosan szinkronizált háromfázisú feszültséget állít elő. Közvetett kapcsolat esetén a szélgenerátorral előállított feszültség különböző elektronikai egységeken keresztül kerül szinkronizálásra, majd ezt követően táplálják a hálózatba. A szinkron üzemű generátorok, működési elvüknél fogva csak szinkron fordulatszámon tudnak üzemelni. Szélerőművek esetén a változó szélsebességből eredő fordulatszám

19 290 ingadozást a pólusszám változtatása segítségével kompenzálják. Ez azt jelenti, hogy nem a legegyszerűbb, kétpólusú generátort alkalmaznak, hanem a póluspárok számának növelésével érik el, hogy alacsony fordulatszámon is megfelelő szinkron feszültség indukálódjon. Szinkron generátor alkalmazása esetén a villamos hálózati csatlakozás közvetett módon történhet. A változó fordulatszámú rotor hatására indukálódó változó frekvenciájú feszültséget először egyenirányítják, majd egy váltó-egyenirányító segítségével a hálózati feszültségnek megfelelően alakítják. Így mechanikus áttételek alkalmazása nélkül, széles fordulatszám tartományban tudják üzemeltetni a szinkron generátorral szerelt szélerőműveket ábra A Vestas V90 típusú szélerőmű meghajtás kialakítása (forrás: Vestas Wind Systems A/S) Az aszinkron generátoroknál a szükséges fordulatszám tartását hajtómű alkalmazásával oldják meg. Az alkalmazásának fő okai: a kedvező műszaki megbízhatóság és az előnyös költségarány. Továbbá olyan műszaki tulajdonságok (szlip, túlterhelhetőség), melyek különösen előnyösek a szélerőművekben történő alkalmazásnál. Az aszinkron generátor több nevezetes fordulatszámot ismerünk: üresjárási-, szinkron- és üzemi fordulatszámot. Míg a szinkron generátorokban csak a szinkron fordulatszámon indukálódik feszültség, addig az aszinkron generátorokban, ugyanezen a fordulatszámon nincs. Ahhoz, hogy az aszinkron generátorban feszültség indukálódjék, a szinkron fordulatnál nagyobb fordulatszámot kell produkálni. A szinkron és az üzemi fordulatszám közötti különbség a szlip (mindössze 1%), mely egy előnyös mechanikai tulajdonság, mivel a generátor a nyomaték változását (mely a szélsebesség változásából ered) könnyen tudja

20 291 követni. Ennek köszönhető, hogy az aszinkron generátorokat (a szinkron generátorokkal ellentétben) szívesebben kapcsolják közvetlenül a villamos hálózatra Az áramtermelő szélgenerátorok teljesítménye v Be v N v Max v Le ábra A pitch lapátvezérléssel rendelkező szélerőművek Teljesítmény- szélsebesség és teljesítmény-tényező szélsebesség diagramja A szélgenerátorok leadott teljesítménye nem állandó értékű. Ezt szemlélteti a ábra, amely pitch-rendszerű szélerőmű esetében, a szélsebesség függvényében ábrázolja a teljesítmény (P) és a teljesítmény-tényező (jelölése C p ill. itt C T ) értékének változását. Az egyes géprendszerek teljesítmény tényezőit az un. gyorsjárási tényező függvényében: λ (= a lapátcsúcs kerületi sebessége/szélsebesség) is megadják. A legkedvezőbb két és a háromlapátos gép teljesítmény kihozatala.

21 ábra Az egyes megoldások teljesítmény tényezőit a gyorsjárási tényező függvényében A rotor forgása A rotor forgása a bekapcsolási szélsebességnél indul el (v Be ), ekkor a leadott teljesítmény, a diagramban jelölt szélerőműnél (Enercon E-82, 2000 kw) 3,0 kw. A bekapcsolási szélsebesség értéke erőművenként eltérő, általában 2,0 4,0 m/s érték között változik. A példában szereplő szélerőmű, a névleges teljesítményét 12,5m/s szélsebességnél éri el. Ekkor a leadott teljesítmény 2000 kw. A rotor forgása a lekapcsolási szélsebesség (v Le ) eléréséig tart, amikor a vezérlő rendszer leállítja az erőmű működését. Ez általában 25,0 m/s szélsebességnél következik be. A névleges teljesítmény eléréséhez tartozó és a lekapcsolási szélsebesség közötti tartomány a névleges teljesítmény tartomány. A szélerőműveket, működésük közben egy felügyeleti rendszer folyamatosan ellenőrzi és feldolgozza a külső (környezeti) és a belső (rendszer) paramétereket. A begyűjtött és kiértékelt adatok alapján tíz perces időintervallumokban megváltoztatja a rendszer beállításait, amennyiben ez szükséges. Ennek eredményeként lehet elérni az adott külső feltételek mellett a rendszer aktuális optimalizált állapotát. Ennek a szabályozásnak az eredménye az is, hogy a névleges teljesítmény nem egy állandó érték. A névleges teljesítmény tartományban is kisebb intervallumban változik az értéke Szigetüzemű alkalmazás Szélerőművek szigetüzemű alkalmazásról akkor beszélünk, amikor a megtermelt energiát egy helyi hálózatba tápláljuk, például egy családi ház, vagy egy üzem energiaigényének kisegítésére ábra A szigetüzem vázlata (forrás: Tóth Horváth, 2003) A rendszer megtervezésénél fő feladat a szélerőgép kiválasztása és a tárolókapacitás meghatározása. A tárolókapacitást a következő összefüggés segítségével kalkulálhatjuk:

22 293 n P K = m n i A [Ah] i i = 1 U n ahol: m a tartaléknapok száma, azaz egy feltöltéssel elérhető üzemidő napokban, P i az i. fogyasztó áramfelvétele [A] U n n i az i. fogyasztó napi üzeme [h] Az energiaellátás biztonsága m helyes megválasztásán múlik. Ha a tárolókapacitás kicsi, időszakonként ellátási problémák lehetnek. Ha túl nagy, a megtermelt energia egy része veszendőbe mehet, mivel a feltöltött tárolókapacitás nem képes további energiát befogadni. Az egyenfeszültségű hálózat és fogyasztók alkalmazása energetikailag nem előnyös megoldás. Kedvezőbb a váltóáramú hálózat kialakítása, normál váltóáramú fogyasztókkal. A váltóáramú ellátást úgy oldhatjuk meg, hogy a hálózat és az akkumulátorok közé egy DC/AC invertert (egyenáramú/váltóáramú átalakítót) építünk. Az átalakítás ugyan némi veszteséggel (~10%) és többletköltséggel jár, azonban hosszabb távon a befektetés megtérül és nem kell speciális fogyasztókat beszerezni. Ahol elektromos hálózat is rendelkezésre áll, a két rendszer kombináltan alkalmazható. Az ellátást a villamos szélerőgép által megtermelt energiára alapozzuk, de szükség esetén (pl. csúcsfogyasztás) a rendszert a hálózatról üzemeltetjük. A vegyes üzem intelligens áramköri elemekkel könnyen megoldható. Szigetüzemben gyakran használnak kiegészítő energiaforrást, pl. dízelmotoros generátort Szélerőművek szabályozása Az üzemeltetés legnagyobb kihívása, hogy a megtermelt energiát pillanatról-pillanatra illeszteni kell a fogyasztók véletlenszerűen változó igényeihez. Egy szélerőmű a rövid időre szükséges energiatárolást a kinetikus energia növekedése vagy csökkenése útján tudja megvalósítani. Azonban átmenetileg, akár a fogyasztók, akár a szélerőmű teljesítményváltozásának hatására, megváltozhat a generátor szögsebessége, illetve frekvenciája. A fogyasztók viszont joggal várják el, hogy az erőmű mind a frekvenciát, mind a feszültséget állandó értéken tartsa. Ezt úgy oldják meg, hogy a szabályozás segítségével megváltoztatják a generátor teljesítményét, úgy hogy állandósult állapotban a generátor teljesítménye azonos legyen az úgynevezett tranziens teljesítménnyel. A meddő teljesítményeknek szintén egyensúlyban kell lenniük. Azonban fontos kérdés, hogy ez az egyensúly milyen feszültségértéknél jöhet létre. Ezt a második szabályozási feladatot általában egy második, feszültségszabályozó hurok valósítja meg. Erre a célra különösen jól megfelel egy feszültségszabályozott szinkron generátor. Aszinkron generátor esetében a szabályozott meddő energiaforrásra is szükség van, hogy a feszültséget állandó értéken tudjuk tartani. Példaként először tételezzük fel, hogy a szélből az erőmű által kinyerhető teljesítmény meghaladja az ellátott fogyasztók együttes pillanatnyi igényét. Ekkor a frekvenciát a generátor fordulatszám szabályozójával, a feszültséget pedig a generátor gerjesztésével lehet a kívánt értékre beállítani. Szinkron generátor esetén a feszültség és frekvencia egymástól

23 294 kölcsönösen függő változók, amelyeket célszerű két többé-kevésbé függetlenített szabályozókörrel beállítani Kontinentális viszonyok között üzemelő szélerőműveknél alkalmazott egyik szabályozási mód a lapátszög szabályozás (pich rendszer). Segítségével a rotor szögsebessége közel állandó értéken tartható. A fő szabályozási kör a generátor kimenő teljesítményére épül. A szabályozás lényege, hogy a teljesítmény szabályozó kimenő jelét korlátozza a fordulatszám szabályozó, amelyik a kívánt értéken tartja a szögsebességet. A lapátszög szabályozás alárendelt sebesség szabályozással rendelkezik, amely így megfelelő stabilitást kölcsönöz az egész körnek. Aszinkron generátorok esetében feszültség szabályozó kondenzátor telepek ki- és bekapcsolásával tartják a fogyasztó oldali feszültséget egy tolerancia-sávon belül. A gyakorlatban 2 12 lépcsőben szokták megvalósítani az átkapcsolást. Ha a fogyasztók pillanatnyi teljesítménye meghaladja a szélből kivehető maximális teljesítményt, akkor a működés a következő intézkedések valamelyikével tartható fenn: - a fogyasztók egy részének kikapcsolása, - járulékos energiaforrás bekapcsolása Szélerőművek telepítése A szélerőműveket egyedileg, vagy csoportosan telepítik. Az egyedi telepítés egyik változata a fent leírt szigetüzemű alkalmazás. A szélenergia hasznosításban gazdasági előnyt jelent, ha az erőműveket csoportosan telepítjük. Így viszonylag kis helyen erőműhálózat hozható létre, amely a fajlagos beruházási és üzemeltetési költségeket jelentősen csökkenti, a szélből nyert villamos energia piaci versenyképességét növeli. A szélfarmokkal kapcsolatban meglehetősen sok tapasztalat gyűlt már össze elsősorban az Egyesült Államokban (Kalifornia) és Nyugat Európában (Dánia, Anglia, Németország) létesített erőműhálózatok révén. Az erőműtelepeket a jó széljárású, tengerparti vidékeken és szeles fennsíkokon kezdték el telepíteni, ahol általában a lakosság gyér, a gépek telepítésére szinte korlátlanul áll rendelkezésre hely ábra

24 295 Szélerőművek vonalas telepítése (forrás: AWP GmbH. Eisenstadt AT) Más a helyzet kontinentális viszonyok között, például Európa belsejében. A viszonylagos helyszűke miatt a csoportos telepítés helyszíneinek kiválasztása nagy körültekintést igényel. A csoportos telepítés egyik alapvető kérdése a berendezések elhelyezésének maghatározása úgy, hogy az erőművek ne zavarják egymás működését. A telepítési rend maghatározásához tudnunk kell, hogy hogyan alakulnak az áramlási viszonyok az erőmű után. A fő (FSZI) és a még domináns mellék (MSZI) szélirányok a leginkább meghatározóak az elrendezésre. Az adott szélerőmű, mint áramlást módosító objektum hatására kihat a mögötte lévő gépre, s megfelelő távolság kell, hogy a szél áramlása felerősödjön, rendeződjön. Ezekben a szélirányokban az erőművek egymáshoz viszonyított távolsága a lapátkerék átmérő minimális ötszöröse kell, hogy legyen (L=5D), ami a 2 MW-os gépeknél, ahol a D=80-100m, az tehát L= m ábra Térhálós telepítésű szélerőművek (12 db 2MW-os berendezés, Mosonszolnok térséga) (Forrás: Balogh A. 2012, Mov-R H1 Szélerőmű Kft)

25 ábra Mezőgazdasági területen létesült szélerőműpark Forrás: MSZIT A kisalföld térségében létesült 12 db, egyenkint 2 MW-os gépekből álló szélpark évi összes energiatermelése MWh volt. A bruttó K F kihasználási tényező 26,2%- ra adódott, - az önfogyasztást is figyelembe véve 25,5%-ra 2301h/év-re módosult ( ábra). (Az összes termelés: K f * 12 * 2000 kw = 2301 h/év * 24000kW = kWh/év) ábra A szélerőműpark tartamdiagramja

26 297 Csoportos telepítésnél a telepítési rendet az uralkodó szélirányokon túl még sok tényező befolyásolja az elrendezést (a domborzat, a természetes ill. épített objektumok, pl. meglévő földutak, a mezőgazdasági táblák elhelyezkedése, stb.). Ezért klasszikus raszterszerű elrendezés csak nagy egybefüggő síkvidéki területeken valósítható meg. Vonalas telepítés akkor előnyös, ha van igen határozott uralkodó szélirány (pl. tengerpartokon, hegygerinceken). Ebben az esetben a gépeket sűrűn egymás mellé telepíthetjük ezzel is csökkentve a kiszolgáló infrastruktúra (utak, elektromos hálózat) fajlagos költségeit. Általános kontinentális viszonyok között a szabálytalan térhálós elrendezés a jellemző. Így hasznosítható a kettő, vagy több fő irányból érkező szél energiája és az adottságok is számításba vehetők. Sokan úgy vélik, hogy sok szélerőmű jelentős mezőgazdasági területeket rabol el földhasználattól. Ez a vélekedés közel sem igaz. Bármilyen más megújuló energiaforrás felhasználása az egységnyi területre vetített energianyerésénél a szélnél elérhetőnél kevesebb, tehát a szélenergia igényli a legkevesebb terület felhasználást. Ezt igazolják a táblázat adatai, de a bemutatott ábrák is. Ez igaz a hazai lignites, és egyéb erőművekre is. A szélerőművek által különböző formákban (A, b, c) érintett területek arány az ország összes területéhez, ha 1000, vagy 2000 db, 2 MW-os gépet létesítünk táblázat Magyarország összes területe Épülő erőmű Egy szélerőműnél a termelésből kivont terület Egy szélerőműnél a művelési érintettség (utak és lapátkerék vetület) 1000, ill erőmű esetén az összes hazai terület %-ában ha db ha ha 100 xb x C/A 100 xb x D/A A B C D C D ,1 0,8 0,0011 0, ,1 0,8 0,0022 0,0172 Ambiciózus szélerőmű program esetén, Magyarországon 2000 db 2 3 MW-os szélerőmű építésével lehet számolni. Ekkor a művelésből kivonandó terület ~200ha lehet. Tehát a termőterületre a hatásuk jelentéktelen ( ábra)!

27 ábra Dűlőút mellé telepített gép, murvázott daru beállóval, és az országútig murvázott (télen is járható) szervizúttal. (Szápár, Magyarország) A szélerőmű területi igényei szimbolikusan is megjelölhetők ( ábra): Oú K É B B sz K D K sz T B h K h ábra A szélerőmű területi igényeinek jellemzése Az ábra jelei és értelmezésük: Oú: országút, egyéb helyi szilárd burkolatú közlekedő út, stabilizált földút (dűlőút). Országút esetén a távolsága a szélerőmű alapjának középpontjától H + D/2, ami a dőlésmagassággal egyenlő (lásd 4. ábrát). B: behajtó út, szerviz út területe: B t = B sz x B h B sz x (H + D/2 + 12) (m 2 ). B: behajtó út, szerviz út szélessége (B sz ) min. 4 m. K: készenléti terület, daruzó terület, K t = K h x K sz (D/2 + 12) x K sz (m 2 ). A daruzó terület hossza (K h ), általában a lapátkerék átmérőjének fele: D/ m (m) A daruzó terület szélessége (K sz ): 8 12 m (függ a topográfiai viszonyoktól, lejtős területen nagyobb is szükséges lehet)

28 299 A berendezések említett közvetlen területigényén túl, un. érintett területtel is számolunk, mégpedig két kategóriában. Az egyik, amely közvetlenül érintheti a későbbi mezőgazdasági művelést, ez a lapátkerék átmérője (D) által súrolt térfogat vízszintes vetülete (É), gyakorlatilag a lapátkerék forgása során súrolt felületnek felel meg, vagyis a lapátkerék átmérőjéből egyszerűen meghatározható (D 2 π/4).