A FÜGGŐLEGES SZÉLPROFIL HATÁSA SZÉLERŐMŰVEK ÜZEMÉRE EFFECT OF THE VERTICAL WIND PROFILE TO THE WIND TURBINES OPERATION

Átírás

1 A FÜGGŐLEGES SZÉLOFIL HATÁSA SZÉLEŐMŰVEK ÜZEMÉE EFFECT OF THE VETICAL WIND OFILE TO THE WIND TUBINES OEATION rf. Dr. atai István.D rf. Dr. Tót László DSc Dr. Scrempf Nrbert.D. Tessedik Sámuel Főiskla, Mezőgazdasági Víz- és Környezetgazdálkdási Kar Műszaki és Vízgazdálkdási Intézet.,. Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Flyamatmérnöki Intézet Összefglalás A szélerőművek rtrszárnyai üzemelés közben váltzó sebességű légáramban dlgznak. Ennek következménye a szárnyak váltzó dinamikus terelése. A függőleges szélprfilt megadó Hellmann-kitevő ismeretében felíratók a szárnyak dinamikai egyenletei, amelyek megadják a szárnyak váltzó teljesítmény- és nymatékvisznyait egy-egy körülfrdulás közben. Kulcsszavak: szélenergia, szélerőmű, függőleges szélprfil, dinamikus terelés Summary During peratin te blades f wind generatrs wrk wit different wind speed areas in te curse f te rtating. It as results in te different dynamic lading f te blades. Te vertical wind prfile is determined by te Hellmann cefficient. Te dynamic equatins are given t analyse te pwer and trque relatins fr te blades f wind turbines. Keywrds: windenergy, windturbine, vertical wind prfile, dynamical lad BEVEZETÉS A szél sebessége a terep felületi súrlódása ( szélnyírás ) következtében a földfelszíntől mért magasságtól függően váltzik. A váltzás mértéke és módja száms tényező függvénye (dmbrzat, tereptárgyak, stb.). A szélsebesség lkális magasságfüggése, azaz a függőleges szélprfil jelentős atású a szélerőművek üzemvisznyainak alakulása szempntjából. A szélirány váltzásával - a sebességétől és jellegétől függően - az irányába eső terep miatt a szélprfil is váltzik, s igen jelentős eltérések leetnek. A szélerőművek trnymagasságának (tengelymagasságának) növelését elsősrban a nagybb magasságkban kialakuló szélsebességek, szélteljesítmény jbb kiasználása indklja. Az szélerőművek, szélparkk tervezésénél, a turbinák adtt elyre való adaptálásánál az ezzel járó kísérőjelenségek számbavétele általában áttérbe szrul, különösen akkr, a előzetesen nem végeztek mélyreató energiatermelést prgnsztizáló, több magasságra kiterjedő elyi szélméréseket. A mérés és értékelés nem anyaglató el, mivel a szélprfiltól függően alapvetően váltznak a szélerőművek üzemeltetési feltételei, a kitermelető energia mennyisége, a berendezésekre ató specifikus erővisznyk, már a telepítési költség az alapzással szembeni kívánalmak miatta, várató szerviz és karbantartási igény (üzemeltetési

2 költségek), stb. E atásmecanizmusk jó közelítésekkel előre számítatók. Ezért is vizsgáltuk ezeket a flyamatkat, amelyeknek egy szegmensét mutatjuk be a következőkben. VIZSGÁLATI ANYAG, MÓDSZE A nemzetközi szakirdalm megállapításait a azai mérővizsgálatk is igazlták, s általáns tapasztalat, gy a terepfelszín felett az rszág tájegységeire jellemző specifikumkkal - a magassággal aránysan a szélsebesség növekszik (Tót Hrvát, 00, atay 00.) Az energetikai célú szélméréseknél a szélsebességet, kettő vagy több szinten a mérő anemméterek (kanalas szélsebesség mérők) magasságában atárzzuk meg, s e pntkból számítják a szélprfilt.. Mérő trny db anemméterrel Wind measuring Twer wit anemmeters Mérő trny csúcsa az érzékelőkkel Wind measuring Twer wit sensrs n tip. ábra Szélmérő szlpk Fig.. Wind measuring Twer Az ilyen mérésekkel a működtetni kívánt szélerőmű rtrtartmányában (lapátkerék átmérő) uralkdó szélvisznyknak csak egy kis részéről származik közvetlen infrmáció. A mért adatk alapján elméleti összefüggések segítségével számljuk ki a szélsebesség értékeket a szükséges magassági tartmányra. A száms ismert függvény közül a szélenergia asznsítás gyakrlatában az un. Hellmann-kitevős atványfüggvény terjedt el (Lysen, 98, Janssn, 994): v vref ref al: v: a keresett (ismeretlen) szélsebességérték a magasságban, v ref : az ismert (mért) szélsebesség a ref referencia magasságban, : a magassági atványkitevő, vagy Hellmann-tényező. Száms vizsgálat (Tót, 005, Scrempf, 007) és tapasztalat igazlta, gy e frmula jól asználató a függőleges szélprfil leírására, prblémát az tényező elyes megválasztása (alkalmazása) jelent.

3 Így készült Magyarrszág széltérképe is (OMSZ, SZIE és DE szakembereinek közreműködésével), amelyez a mérések két anemméterrel általában 0-60 m-es magasságban flytak, de az értékek a területre jellemző tényezővel 5, 50, 75, 00, 5 és 50 m-es magasságra is meg lettek atárzva. E mérésekez nagybb biztnságt nyújttt a OMSZ több éves 0 m magasságra krrigált szélsebesség adatbázisa. Végül is mért adatk alapján a Hellmann tényező számítató és annak ismeretében zzávetőlegesen m-es magasságig megfelelő értéket kapunk. Az ellenőrzések magasabb szlpkn történtek, illetve néány elyszínen akusztikus mérőegységgel (Sdar) is, amely 0-0 m-es magassági sávkban is képes a sebesség értékeket megatárzni egészen m-es magasságig. Az éves szélmérésre megatárztt alfa tényező legnagybb prblémája, gy a vagy 6 szélirányban mért szélprfilkat átlaglja, emiatt a különféle iránykból nyerető energia, illetve a berendezésre ató terelések kevésbé pntsak, iszen a maximális terelésekre általában a fő szélirányból kaptt értékek a megatárzóak. (m) v (m/s) /a ábra. Éves átlags függőleges /a ábra. Szélirányk szerinti átlags éves szélprfil szélprfil (példaképpen a irányból csupán 6-t mutatunk be) Fig. /a Te vertical wind prfile Fig. /a Te vertical wind prfile f year in different f year wind directins. ábra, Szélprfilk éves mérés alapján Fig.. Te Vertical Wind prfile f ne year measuring

4 . táblázat: Szélirányk szerinti átlags éves Hellmann tényezők és azk átlaga (a szélirányk gyakriságának 48 %-a két szélirányba esett - 0 (észak), 8(dél-délnyugat). Table: Average Hellmann-cefficients f year in different Wind Directins Hellman Szélirány 0 0,6 0,88 0, 0,5 4 0,09 5 0,5 6 0, 7 0,94 8 0,6 9 0,6 0 0,56 0,48 Átlag 0,4. A /a. ábrán knkrét mérések alapján kaptt átlags szélprfilt mutat, míg a /b ábrákn ugyan ezen méréssrzatnál, a szélirányban mért, igen szembetűnő eltéréseket mutató szélprfilból 6 látató. Az. táblázatban pedig az egyes széliránykból kaptt átlags alfa értékek találatók, melyek között az eltérés a %-t is eléreti. A azai széltérkép mérései alapján, melyek az rszág minden tájegységét lefedték a atványkitevő tartmányára a 0,5 0,45 értékatár adódtt. A kisebb értékek főként a síkvidéki-, a nagybbak a dmb- és az erősebben szabdalt egyvidéki régiókra adódtak. A szél ptenciális teljesítménye A levegő mzgási energiáját jó közelítéssel, az alábbi összefüggéssel számítatjuk: Em m v ; Ha az áramló tömeg elyébe (m) a ( ρ A v ) írjuk, akkr adtt pntn a szél ptenciális teljesítményét kapjuk ρ A v [W] al a levegő sűrűsége, kg / m ρ [ ] A az áramlási keresztmetszet [ m ], D π/4, a D a lapátkerék átmérője. v: a levegő (átlags) sebessége az áramlási keresztmetszetben [ m /s] Egy egységnyi A estén a fajlags ptenciális teljesítményt kapjuk w/m dimenzióban. A fajlags teljesítményt a magasság függvényében a fentebbi egyenletek alapján:

5 v v ref ; ref ref A ref a referenciamagasságban adódó fajlags szélteljesítmény. Az egyenletből: ref Szélerőmű teljesítményvisznyai Az előzőkből látató, gy a teljesítményt alapvetően a szél sebességének értéke atárzza meg, mivel a. atványn szerepel. Jelentős szerepe van a szélkerék átmérőjének is, iszen az A áramlási keresztmetszet a lapát átmérő által megatárztt, a laptkkal súrlt felületet jelenti. A v értékét a teljesítmény számításknál a lapátkerék frgásközéppntjára vnatkztatjuk, amely a szélprfilnál a gndla magasságban jelentkező szélsebesség értékével azns. A minél nagybb erőműteljesítmény elérése, a trnymagasság és a rtrátmérő növelésére ösztönöz. Kérdésként vetődik fel, gy mi az ésszerű trnymagasság, ill. eez mekkra rtrméret rendelető. Érdemes ezért megvizsgálni, gy a függőleges szélprfil alakulása gyan beflyáslja a szélerőmű teljesítményét, az energiatermelés üzemi visznyait. Elemezzünk egy ármlapáts rtrt, amelynek a tengelymagassága a terepfelszíntől, a rtr sugara, akkr a rtr által súrlt legnagybb magasság:, a legkisebb ref max min (. ábra). Vizsgáljuk meg az egy szárnyra jutó szélteljesítmény alakulását (száms fnts, de a prbléma megvilágításáz kevésbé számttevő tényező elanyaglásával) lapát felső ltpnti elyzetében. A frgómzgás szögsebességét tételezzük fel, gy ( ω knstans) állandó. A megrajzlt szélprfil alapján látató, gy a lapát két vége eltérő szélsebességű tartmányban dlgzik. A szárnyra ató átlags szélsebességet az egyszerűség kedvéért a közepes sugár ( k ) elyén uralkdó szélsebességgel jellemezzük. Így a felső ltpnti elyzetben lévő lapátra jutó fajlags szélteljesítmény, amely a leetséges maximum: max al : a tengelymagasságban mérető fajlags szélteljesítmény [ / m ] w. Legkisebb a szárnyra jutó fajlags szélteljesítmény az alsó ltpntban: min

6 β 0 min 0 max. ábra. Szélprfil és s szélerőmű teljesítményvisznyai Fig.. Lad relatins f te blades Δ max min Az egy dinamikai tényezőt jelent, a szárny körülfrdulása közbeni a fajlags szélteljesítmény váltzás eredményeként. A felső ltpnttól mért tetszőleges β szög esetén így az egy szárnyra jutó aktuális fajlags szélteljesítmény: csβ A teljes szélteljesítményt úgy kapjuk meg, gy figyelembe vesszük az egy szárnyra jutó keresztmetszetet (A ):

7 H HD/ D/ 4. ábra MW-s 08 m magas 90 m rtrátmérőjű szélerőmű (Felsőzslca) A képletekben H, D/ Fig. 4. Wind pwer plant wit MW, n 08 m ig twer (H ) and 90 m rtr diameter (D/ ) A két fajlags teljesítmény különbsége: A t π ; A árm szárnyas rtrra vnatkzóan: ( ) ( ) β β β 40 cs 0 cs cs t t t v A v ρ ρ π adódik, al v a tengelymagasságban mérető szélsebesség. Vagyis a kiindulásnál feltételezett eredmény adódik. A lényeg aznban az, gy összefüggést találtunk a függőleges szélprfil és a szélerőmű fő gemetriai jellemzői között, amit érdemes kielemezni. A megelőző egyenletbe többször előfrduló tényezőt nevezzük η d dinamikai tényezőnek, amely a lapátk terelésingadzásának mértékét mutatja meg. Világsan látszik, gy a sugár növelése azns tengelymagasság esetén növeli a dinamikai tényezőt, azaz a szárnyak egy körülfrdulás alatti terelésingadzását.

8 Ugyanez a elyzet a függőleges szélprfilt megatárzó Hellmann-kitevővel is: állandó / visznynál a nagybb -val jellemzett elyen a szélerőmű dinamikai terelése expnenciálisan nő. Mivel a rtr szögsebessége ( ω) minden szárnyra azns, a dinamikai tényező a nymatékingadzást is megatárzza: M alapján a szárnyak nymatékingadzása: ω beelyettesítésével: Δ ΔM ω ω v v Δ M π ρ π ρ 6 ω 6 ω Az utóbbi egyenletben minden, a szárnydinamikát beflyásló tényező beelyettesítető, s a atásuk mértéke is kilvasató. Eredmények, következtetések A felső ltpntban, al a szélsebesség - m/s-mal is nagybb az alsóban fellépőnél, jóval nagybb mértékű ajlító erőatás jelentkezik, amely nyilván a teljesítménnyel is összefüggésben van. A nagybb terelés következtében pl. egy MW-s, 0 08 m gndla magasságú (frgásközpntú) berendezésnél, D 90 m-es lapátkerék átmérőnél a kiajlás a felső ltpntn,5- métert is eléri, míg az alsó ltpntn 0,5 m-re mérséklődik. Ez minden lapátfrdulatnál jelentkezik, teát a lapát a frgási frekvenciának megfelelően igen jelentősen ki van téve e ajlításból adódó, az anyag kifáradását jelentő dinamikus igénybevételnek. 0-5 tnna tömegű lapátknál a dinamikus igénybevétel impulzus erejének váltzása az egész szélerőműre átterjed, a tengelyének csapágyazására, az állványra, de a rendszer alapzására is (a szélnymás eltérése az alsó és felső lapátelyzetben kn is leet). Eez zzájárul a szélprfilban jelentkező nagymérvű egyenetlenség (5. ábra), mivel a föld feletti szélprfilban a rétegnyírásból adódó turbulencia a magasság függvényében igen eltérő értékeket mutat. Gyakrlatilag a számíttt a szélprfil csak egy idealizált elemzést tesz leetővé. Az, gy az alapzás jellemzőit az adtt körülmények között a szélerőműnek meg tudjuk atárzni, még a méréseknél meg kell ismerni a fentebbi jelenségeket, sőt a turbulenciára adatkat is szlgáltatni kell (ennek elemzésétől mst eltekintünk). v v p

9 5. ábra A számíttt (v ) és a valóságs (v p ) szélprfil Fig 5. Calculate (v ) and real (v p )vertical wind prfile Amint láttuk, a szélirány váltzásával váltzik a szélprfil, s ebből adódóan az igénybevétel váltzás, valamint a szlgáltattt teljesítmény is. Mindezek még váltztatják a fentebb bemutattt rtr eredő teljesítményének alakulását, és a szárnyak és valamint kapcslódó elemek mecanikai terelésére. Mindezekből adódóan egyáltalán nem közömbös, gy egy szélerőmű-knstrukció milyen függőleges szélprfil mellett dlgzik, vagy megfrdítva: egy adtt függőleges szélprfilú elyre milyen szélerőművet tervezünk. A távlabbi jövőben a szélerőművek által előállíttt villams energia támgatásának mértékében csökkenése várató, ezért a várató energia kizatal megatárzásánál a leető legnagybb pntssággal kell eljárni, a várató termelést megatárzni. A gyártók ma a trnyk magasságának növelésére törekszenek, iszen a szélprfilban a nagybb mérvű kiegyenlítődés (közeledés a függőlegesez) m feletti magasságkban jelentkezik. Ilyen magasságkra tervezett berendezéseknél számttevően nagybb a teljesítmény és kisebb az egyenetlenségből fakadó dinamikus igénybevétel, amely jelentősen növeleti a berendezések élettartamát, a lapátk és egyéb szerkezeti egységek kifáradását, a várató szervizigényt. A bemutattt elemzéssel a témakört kránt sem merítettük ki, de reméljük, gy a telepítéssel és létesítéssel fglalkzó szakemberek figyelmét még inkább felívtuk e fnts prblémára. Irdalmjegyzék. Dbi I. (szerk): (006) Magyarrszág szél és napenergia kutatási eredményei, OMSZ, Budapest, ISBN , p.47. Janssn, T.B. et.al.: 994. enewable Energy Surces fr fuels and Electricity Island ress, Wasingtn.. Lysen, E.H.: 98. Intrductin t Wind Energy. S.W.d. Amersfrt. 4. atay I.: 00. A szélenergia asznsítása. Szaktudás Kiadó Ház, Bp. 5. Scrempf N.: 007. Energetikai célú szélmérő rendszer kialakítása. Dktri (D) értekezés, SZIE Gödöllő. 6. Tar K.: (007) Sme statistical caracteristics f mntly average wind speed at varius eigts, Department f Meterlgy, University f Debrecen, OB, Hungary, enewable and Sustainable Energy eviews, SE : 46, Jul6004Ţ, pp: 7. Tót G.: (005). Energia célú szélmérés. Dktri (D) értekezés, SZIE Gödöllő. 8. Tót L.-Hrvát G. szerk.: (00). Alternatív energia. Szélmtrk, szélgenerátrk. Szaktudás Kiadó Ház, Bp.