Mitől lesz jobb a pneumatikus erőátvitelű szélgép a hagyományosnál? A szakemberek meggyőzésére szánt vitairat. Ennek megértését könnyítheti az előzmények ismerete, a www.windtransformer.hu megtekintése. Több mint hatvan évvel ezelőtt, M. Andreau szabadalma alapján, Dél-Angliában 100 kw-os kísérleti szélgépet építettek pneumatikus erőátvitellel. Az Engineering 1955. márciusi számában megjelent cikk ismerteti a gépet és a vele szerzett tapasztalatokat (1. ábra). A hagyományos áramtermelő szélgépekben a szélkerék mechanikus kapcsolattal forgatja a generátort. A pneumatikus erőátvitelű szélgépekben a szélkerék szabadon forog. A szélkerék lapátjai, a fej és az oszlop zárt, folyamatos csatornát képeznek. A csatorna az oszlop 1. ábra alján levegőbelépő nyílásokkal kezdődik és a lapátok végén a menetiránynak háttal álló levegőkilépő nyílásokban végződik. A csatornában légturbina van, és ahhoz generátor csatlakozik. Amikor a szél a kereket forgatja, akkor a kilépőnyílások mellett áramló levegő kiszívja a levegőt a nyílásból. Ez a szívás mozgatja a levegőt a csatornában, a belül áramló levegő forgatja a turbinát és az a generátort. A gép működése közben mérték a szélsebességet és a leadott villamos teljesítményt. Megállapították, hogy a szélgép teljesítménytényezője 14,5% volt, vagyis a gép a szél teljesítményének ekkora részét hasznosította. Az évtizedek óta fejlesztett, hagyományos gépek teljesítménytényezője akkoriban 30% körül volt. Erre hivatkozva a pneumatikus rendszert elvetették. A címben feltett kérdésre válaszolva néhány okot felsorolok, majd később részletezek. 1. A régen megépített, vizsgált és elvetett pneumatikus erőátvitelű szélgép jobb volt, mint amilyennek minősítették. Feltehetően a hátrányosan megválasztott vizsgálati körülmények okozták a rossz eredményt és az erre alapozott hibás döntést, az elvetést. 2. A két találmányom csökkenti az áramlási veszteséget a berendezés külső és belső felületein. Az első találmány azzal, hogy a szívás fokozásával csökkenti az energia átviteléhez szükséges levegő mennyiségét és ezzel a belül áramló levegő sebességét. A második találmány azzal, hogy csökkenti a lapát külső végének keresztmetszetét és a csatorna hosszát, ezekkel a rendszer áramlási ellenállását. 3. A szívás fokozása érdekében a kilépőnyílás előtt áramló levegőt gyorsítjuk. A gyorsításra fordított energia a kereket fékezi. A fékezés mértékének beállításával biztosítjuk azt, hogy a szélkerék minden szélsebességnél a maximális teljesítményt adja le. A csatornából kilépő levegő haladási irányának célszerű megválasztásával a szerkezet visszanyeri a szívás fokozására fordított energiának azt a részét, amely veszteség lehetne. 1
4. Csökken az oszlop, illetve a torony és a fej mechanikai igénybevétele, mivel a szélkerék szabadon forog és nem terheli csavarónyomatékkal a szerkezetet. 5. Megszűnik az ütemesen ismétlődő zaj, ami miatt a nagy szélgépeket csak bizonyos távolságnál messzebb szabad telepíteni a lakott területektől. A zaj ugyanis akkor keletkezik, amikor a nagy sebességű szélben működő gép lapátja a torony előtt halad el és a lapát közelében felgyorsuló levegő az oszlopnak ütközik. A pneumatikus szélgép kereke ugyanis mindig az oszlop mögött van, ahol már nincs semmi, aminek a felgyorsult levegő neki ütközhetne. 6. A pneumatikus szélgép képes külső energia, hálózat, illetve akkumulátor nélkül szélirányba állni, elindulni és az olyan lassú szelet is hasznosítani, melytől a nagy hagyományos szélgépek el sem indíthatók. 7. A pneumatikus szélgépben nem lesz fogaskerekes gyorsító áttétel, bonyolult szélirányba állító és lapátszög állító berendezés. Ezzel csökken a gyártás, az üzemeltetés és a karbantartás költsége, többszörösére nő a gép élettartama, és nagymértékben csökken az áram előállításának önköltsége. Részletezés A hagyományos, mechanikus erőátvitelű szélgépekben szilárd felületek között fellépő súrlódás a veszteség fő forrása. A pneumatikus erőátvitelű gépekben pedig a gépen kívül és belül áramló levegő közegellenállása okozza a veszteség nagy részét. A két gépet az teszi különbözővé, hogy a súrlódási tényező, vagyis az elmozdulást fékező súrlódó erő és a két felületet összeszorító normális erő hányadosa állandó, nagysága nem függ az elmozdulás sebességétől. Ezzel szemben a közegellenállás fékező ereje a sebesség négyzetével arányosan növekszik. A 2. ábrán a szélsebesség függvényében ábrázoljuk a súrlódó erő által keltett fékező nyomatékot a mechanikus gépben (A), és a pneumatikus erőátvitelű gépben létrejövő közegellenállás fékező nyomatékát (B). Fékező nyomaték Mechanikus erőátvitel (A) Vesztség Szélsebesség Szélsebesség 2. ábra 3. ábra 2
A veszteségek összehasonlítása bonyolultabb, mert a normális erő is nő a szélsebesség négyzetével arányosan. A 3. ábrán a (C) görbe a mechanikus, a (D) görbe a pneumatikus erőátvitelű gép veszteségét ábrázolja becslésem szerint, a szélsebesség függvényében. Mindkét görbe a szélsebesség valamilyen hatványával arányosan emelkedik. A görbék induló magasságát az szabja meg, hogy a kerék mekkora szélsebességtől forog hasznos terhelés nélkül. A nagy hajtóműves szélgépek 5 m/s szélsebességnél indíthatók külső energiával, a megépített kísérleti gépem 1 m/s szélsebességnél magától elindult. Az áttételi fokozatok száma és a fogaskerekek kopása a (C) görbe magasságát növeli. A pneumatikus erőátvitel javítására létrehozott két találmányom a (D) görbe magasságát csökkenti. A két görbe metszéspontjához tartozó szélsebességnél lassúbb szelekből a pneumatikus erőátvitelű gépek kisebb veszteséggel termelik az energiát, mint a mechanikus erőátvitelűek. A két fajta szélgépet összehasonlító távoli elődeink azonban csak nagy szélsebességnél vizsgálták a pneumatikus szélgépet. A továbbiakban azt mutatom be, hogy a két találmány hogyan csökkenti a veszteséget. Első feltevésem szerint az lehetett a rossz eredmény egyik oka, hogy a menetiránynak háttal álló kilépőnyílás az Andreau-féle pneumatikus szélgép lapátjának végén gyenge szívószerkezet volt (4. ábra). Ezért kellett a kétlapátos keréknek 9,5 lambdával járni a kielégítő szívás eléréséhez. A nagy lambdától nagy lett az áramlási veszteség a csatorna miatt megnövelt keresztmetszetű lapát külső felületén. A lambda - gyorsjárási tényező - a kerületi sebesség és a szélsebesség hányadosa. Nagyságát leginkább a lapát síkjának a forgás síkjával bezárt szöge határozza meg. 4. ábra Az áramlási veszteség csökkentésére két találmányt dolgoztam ki. Az első találmány címe: "Szélgép pneumatikus erőátvitellel" A kérelem benyújtásának napja 2001. szeptember 20. Ügyszáma: P 0103756. A megadott szabadalom lajstromszáma 224 256. 3
A második találmány címe: "Szélkerék pneumatikus erőátvitelű szélgéphez" A kérelem benyújtásának napja 2012. december 14. Ügyszáma: P 1200735 A nemzetközi bejelentés ügyszáma: PCT / HU 2013000124 A szabadalmi leírások megtalálhatók a már említett honlapomon. A korábban bejelentett szabadalom olyan szerkezeti megoldásokat mutat be, melyek a kilépőnyílás előtt áramló levegő sebességének növelésével erősítik a szívást, azaz növelik a nyomáskülönbséget a külső és a belső tér között. Az első kísérleti gépemen szárnyprofil keresztmetszetű szívóidomot tettem a lapát végére. A szívóidom olyan alakú volt és úgy állt, mintha az a lapát folytatása lenne. A lencse alakú záró és elválasztó idomok két célt szolgáltak. Az egyik, hogy a lapát két felülete között kialakuló nyomáskülönbség ne egyenlítődjék ki hosszirányú légmozgással. A másik, hogy a lapát részei külön forgathatók legyenek, A szívóidom háti oldalán elhelyezett szívónyílás olyan mértékben növelte a szívóhatást, hogy 3,5 lambda elég volt a kielégítő szíváshoz. (5. és 6. ábra). 5. ábra 6. ábra Az itt bemutatott szívóidomokból a levegő közel érintő irányába távozik, így az a levegő tengelyirányú sebességét nem befolyásolja, de a keréktől távolodó levegőt forgatja, vagyis mozgási energiát ad át a levegőnek és ezzel veszteséget okoz. A következő kísérletek során először a lapátot a második találmánynak megfelelően alakítom át, vagyis megtoldom egy karcsú, csatornátlan lapátvéggel (7. ábra). 4
7. ábra A megnövelt hosszúságú lapát nagyobb felületről gyűjti a szél energiáját, ezért tovább kell növelni a szívás erősségét. Máshogy indokolva: Azért kell erősíteni a szívást, mert a kerületi sebesség és ezzel a szívás erőssége csökken, amikor a szívóidom a lapát végéről közelebb kerül a tengelyhez. A szívás erősítésének egy egyszerű módja, hogy a szívóidomot elfordítjuk az ábrán az óramutató járásával azonos irányba (8. ábra). Az elfordítással nő a lapát síkja és a levegő relatív haladási iránya által bezárt szög. Ettől a nő a nyomáskülönbség és a kiszívott levegő sebessége, de a veszteség is, mert ilyen állásnál a szívóidomtól távolodó levegő ferdén szembe halad a széllel és azt lassítja. 8. ábra 9. ábra A jó megoldás az, hogy a szívóidomot egy elképzelt érintőirányú tengely körül 180 fokkal átfordítjuk (9. ábra). Ebben a helyzetben a szívóidom olyan ventilátor lapátja lesz, amelyik a levegőt a szélirányba hajtja és a szélkerékkel azonos irányba forgatja, és ezzel a szívóidomtól távolodó levegő mozgási energiáját visszanyeri, illetve hasznosítja. A kerék mögött forgó és távolodó levegő forgásában rejlő mozgási energia hasznosul és a teljesítménytényező ezzel növekszik. 5
Az alábbiakban kifejtem elképzelésemet erről az energia visszanyerésről: Az a légsugárszivattyú amely a csatornában a levegőt mozgatja, nem jó hatásfokú szerkezet. A befektetett energiának talán a fele hasznosul azzal, hogy a csatornában hajtja a levegőt. A másik fele veszteség, a csatornából kiszívott és az azt mozgató levegő mozgási energiájaként távolodik a kilépőnyílástól. Van még egy hasonló veszteség a rendszerben, a keréktől távozó levegő forgásának mozgási energiája. Ez a veszteség is elkerülhetetlen, mivel a lapátok háti oldalán gyorsuló levegő hozza létre, ami a kereket forgató mechanizmus része. A két azonos irányba haladó és ellentétes irányba forgó mozgás eredőjeként a levegő a szél irányába gyorsul, forgása lassul, jó esetben megszűnik. A keréktől távolodó levegő forgásában rejtőzködő mozgási energia tehát hasznosul és a teljesítménytényező ennyivel növekszik. További tanulságok: A szélgépeket jellemző teljesítménytényező, ami azt mutatja, hogy a gép a szél teljesítményének hány százalékát hasznosítja, nem állandó, hanem függ a szélsebességtől és a függés jellege különböző a mechanikus és a pneumatikus erőátvitelű szélgépek esetén. A régi cikkből tudjuk, hogy az Andreau-féle pneumatikus szélgép és a hagyományos mechanikus erőátvitelű szélgép összehasonlításakor azt a méltánytalanságot követtek el a pneumatikus gép rovására, hogy a pneumatikus gépet csak a számára hátrányos, nagy szélsebességnél vizsgálták. Az is torzította az összehasonlítást, hogy a szélsebességet a mechanikus gépen a szélkerék mögött, a pneumatikus gépen pedig a szélkerék előtt mérték. A két helyen nem azonos a sebesség, mert a két mérőhely között van a szélkerék, ami a szelet lassítja. Az utóbbi hiba abból ered, hogy a szélsebességet csak a gondola végén mérték és a szélkerék a legtöbb hagyományos gépen az oszlop előtt, a pneumatikus gépen pedig az oszlop mögött volt. Az eddigiek alapján indokolt, hogy a különböző szerkezetű szélgépeket ne az akkoriban szokásos módon meghatározott teljesítménytényező alapján hasonlítsuk össze, hanem a keréktől távolabb mért szélsebességből számítsuk a teljesítménytényezőt. Még jobb megoldás, ha a hasonló körülmények között mért fajlagos teljesítmény, a várható élettartam és a teljes élet alatt termelt energia költsége az összehasonlítás alapja. Az utóbbi módokon összehasonlítva a pneumatikus erőátvitelű szélgép akár kétszer jobb is lehet, mint a hagyományos. Budapest, 2015.06.30 Dr. Mucsy Endre 6