A SZÉL ENERGIÁJÁNAK HASZNOSÍTÁSA Háztartási Méretű Kiserőművek (HMKE) A szél mechanikai energiáját szélgenerátorok segítségével tudjuk elektromos energiává alakítani. Természetesen a szél energiáját mechanikus energiává is át lehet alakítani, de ezen az oldalon arról olvashat, hogyan tudjuk megtervezni és akár ki is vitelezni a háztartás vagy telephely villamos gépeinek szélenergiával történő meghajtását. Az adott területen szélenergiából kinyerhető villamosenergia meghatározásához három dolgot kell megvizsgálni: a szélsebességet, a szélirányt és a napi hasznosítható szeles órák számát. A szélsebesség Az Országos Meteorológiai Szolgálat szerint "az átlagos szélsebesség alapján hazánkat mérsékelten szeles területnek minősíthetjük. A szélsebesség évi átlagai 2-4 m/s között változnak. Jellegzetes a szélsebesség évi járása, legszelesebb időszakunk a tavasz első fele (március, április hónapok), míg a legkisebb szélsebességek általában ősz elején tapasztalhatók." 1.ábra. Magyarország különböző területein 70 m-es magasságban mért átlagos szélsebességek (m/s) Minél magasabban vagyunk, annál nagyobb a szélsebesség. Ha ki akarjuk számolni, hogy más magasságokon mekkora a szélsebesség, akkor a következő képletet kell alkalmaznunk:
ahol: v1 - a talajközeli h1 magasságban mért szélsebesség v2 - a h2 magasságban mért szélsebesség Ebből a képletből ki tudjuk fejezni, hogy: Ha például a lakóhelyeden 70 m-es magasságban az átlagos szélsebesség 4.2 m/s, akkor 10 m magasan ez csak 2,8 m/s. Amennyiben magad akarod kimérni az átlagos szélsebességet, úgy rendszeres méréseket kell végezned. A következő ábrához hasonló görbéket kell kapnod, melyek alapján meghatározható az átlagos szélsebesség. 2.ábra. Az átlagos szélsebesség meghatározása adott időközönként mintavételezett sebességek alapján. A 2.ábrából kitűnik, hogy "a szeles napokon az átlagos szélsebesség 8-14 m/s-ot is eléri, a maximális szelek 25 m/s közelében vannak. A két értékhatár közötti sávban lévő szélből nyerhető az energia jelentős része. A mintákból vett gyakorisági értékek alapján meghatározhatjuk, hogy a különféle sebességű szelek az év átlagnapján a 24 órából mekkora százalékkal részesednek. A 2.ábrából leolvasható, hogy energiatermelés szempontjából a szelek 56 %-a jó minősítésű."
3.ábra. Az év átlagnapján a 24 órából a különféle sebességű szelek részesedése. A 3.ábrán azt láthatjuk, hogy napközben erősebb szelek fújnak, mint éjszaka és hajnalban, de az átlagos szélsebesség valóban 5,54 m/s. 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 Ha az átlagos szélsebesség alapján grafikonon ábrázoljuk a szélsebesség gyakoriságot, akkor pl. a következő ábrán látható görbét kapjuk. 4.ábra. Szélsebesség gyakoriság 4,8 m/s átlagos szélsebesség esetén A 4.ábrából látszik, hogy a 6 m/s-os szélsebesség gyakorisága 12 %, az 1 m/s-os szélsebesség gyakorisága 4 %, a 8 m/s-os szélsebesség gyakorisága pedig 8 %. Más szavakkal megfogalmazva ez azt jelenti, hogy 8 m/s-os szélsebesség az adott területen a szelek 8 %-át teszi ki.
Szélirány A szélirány sok mindentől függ, például a földrajzi elhelyezkedéstől, a domborzattól stb. Vannak uralkodó szélirányok, melyek az adott területre jellemzőek, de természetesen a szélirány ettől sokszor el is térhet. A következő ábra a magyarországi jellemző szélirányokat mutatja be. 5.ábra. A magyarországi jellemző szélirányok Mivel a szélirány gyakran változik, ezért fontos az, hogy a szélgenerátor lapátkerekei ne legyenek fixen egy irányba rögzítve, hanem képes legyen a berendezés a szélirány követésére a legjobb hatásfok elérése érdekében. A szélirány mérési eredményeit poláris koordináta rendszerben szokás ábrázolni. Ezt mutatja be a következő ábra. 6.ábra. A szélirány mérésének alapelve
A 6.ábrán lévő jelölések a következők: ui - a szél keleti irányú sebesség-összetevője vi - a szél északi irányú sebesség-összetevője vh - a szélsebesség FVect - a szél vektoriális ázimutja, azaz a szél haladási iránya FMet - a szél meteorológiai ázimutja, vagyis az az irány, ahonnét a szél fúj FPolar - a szél vektor poláris szöge A kapott eredményt a következőképpen jeleníthetjük meg. 7.ábra. A szélirány ábrázolása poláris koordináta-rendszerben A szélirány meghatározásával kapcsolatos információkat innét vettem. Napi hasznosítható szeles órák száma Mint az 1.ábrán látható, Magyarországon az átlagos szélerősség 4,2 m/s 70 m-es magasságban, amit az 1.táblázatban átválthatunk 2,8 m/s-ra (10 m-es magasságban). Mivel ez átlagos érték, így ennél nagyobb és kisebb szélsebességeket is mérhetünk. Vannak azonban olyan kis szélsebességek, melyeknél a szélgenerátor be se indul. Ezek a generátor szempontjából "szélcsendes" óráknak számítanak. Ez az ún. induló szélsebesség függ az adott szélgenerátor egyedi paramétereitől, de általánosságban kijelenthető, hogy 3 m/s szélsebesség alatt már nem nyerhető ki számottevő villamosenergia mennyiség. A szél sebességének és irányának mérése Az eddigi számításainkat a magyarországi átlagos értékek alapján végeztük el. Ez azonban nem jelenti azt, hogy az adott helyen pontosan ilyen értékeket kaphatunk. Ezért azt javaslom, hogy mielőtt szélgenerátor építésébe kezdenénk, végezzünk pár hónapig méréseket. Ez a szélsebesség és szélirány meghatározását jelenti.