2001/11.

Technikai trendek és kilátások

A SZÉLENERGIA HASZNOSÍTÁSA

Horváth Gábor - Tóth László

A téma jelentősége

A népesség növekedésével az energiafelhasználás, és ezáltal az energiatermelés is rohamosan növekvő tendenciát mutat. Jelenleg az energiatermelés és fogyasztás a leginkább környezetszennyező emberi tevékenység. A fenntartható élet előfeltétele többek között a fenntartható energiagazdálkodás megvalósítása. Jelenlegi tudásunk szerint ennek az útnak két fontos eleme van: jelenlegi energiaforrásaink hatékony, takarékos használata, és a megújuló, környezetünket nem szennyező energiaforrások alkalmazására való fokozatos áttérés. A Föld kőolaj-, földgáz- és szénkészlete egyre apad, az atomenergia előállítása pedig olyan, környezetre káros végtermékeket eredményez, amelyek tárolása hosszú távon nagyon nehéz feladat. Megoldásként marad tehát a víz-, a szél- és a napenergia kihasználása. A vízierőművek telepítésének gátat szabnak a vízgazdálkodási, természetvédelmi szempontok, a napenergia felhasználás pedig nem biztosít nagy mennyiségű azonnal rendelkezésre álló energiát. Marad, tehát a szélenergia hasznosítás.

Az Európai Unió összes országában jelenleg az energiafogyasztás 6 %-ban származik megújuló energiaforrásból. Az Európai Parlament határozatot hozott arról, hogy a megújuló energiahordozók által termelt energia 2010-re érje el az EU - ban a 12 %-ot. Erre vonatkozóan létrehoztak egy pénzügyi alapot, mely segítségével 15000 MW teljesítményű szélerőművet kell létrehozni. Dániában, a felhasznált energia 12 %-át a szélerőművek szolgáltatják. Ez persze kiugróan magas érték az európai átlaghoz képest. Európában a tengerpartokra telepített szélgenerátorok működésével, üzemeltetésével és energiaszolgáltatásával kapcsolatban szerzett kedvező tapasztalatok nyomán megkezdődött a terjeszkedés a kontinens belseje felé.

Magyarországon nem régen indult el az a folyamat, hogy a meglévő jellemző széljárásokból lehetőség legyen energia gazdaságos hasznosítására. Ennek alapja, a szélgenerátorok működési sajátosságait figyelembe véve, a helyi szélmozgások felmérése. Az energiapolitika tervei szerint 2010-re Magyarországon az összes energia- felhasználáson belül 6 % körül kell, hogy legyen a megújuló energiaforrások részaránya. Jelenleg ez az arány 3,6 %. Magyarországon az első szélgenerátor üzembeállítása Inotán 2000. decemberben történt. Ezzel kapcsolatban is végzett szélsebesség- és teljesítmény elemzéseket a Szent István Egyetem Gépészmérnöki Karának Agrárenergetika és Élelmiszeripari Gépek Tanszéke.

A szélgenerátorok névleges teljesítménye az elmúlt évtizedben ugrásszerűen növekedett. Az első korszerű, általános célra használható, nagyteljesítményű generátorok 50-200 kW teljesítménnyel rendelkeztek az 1980-as években, míg manapság a 600 kW - 2,5 MW -os tartományban mozog a gyártott gépek teljesítménye. A teljesítménynövekedéssel nőtt a gépészeti és villamos berendezések tömege is. A folyamatos fejlesztések során a tartóoszlopok magassága is növekedett mivel így lehet elérni a megfelelő energiatartalommal rendelkező légáramokat is.

A szélről általában

A szél keletkezése

A napsütés hatására a levegő a föld felszínén különböző mértékben felmelegszik, s ez légmozgásokat idéz elő. A hidegebb, súlyosabb léghalmaz süllyedve elindul a melegebb irányába, miközben a meleg levegő felemelkedve tér ki a hidegebb elől. Ez a mozgás közös vonása a szélnek, a szélrendszereknek, amelyek lehetnek állandóak, helyiek és teljesen szeszélyes irányúak.

Az egyenlítőn a meleg levegő felemelkedik, majd a magasban egyenletes mozgással halad a sarkok felé. Ez a magassági szél, az antipasszát.

A sarkok felé haladó léghalmaz a Föld gömbjéhez alkalmazkodik, ezért a pályája fokozatosan leszűkül, nyomása és súlya is megnövekszik. A leszálló levegő a földfelszín közelében az egyenlítő irányába igyekszik. Ez a passzát szél.

A passzát és az antipasszát szél mellett állandó jellegű a nappal tengerről, éjszaka pedig a szárazföldről fújó szél. A monszunok a tenger hűvösebb és a szárazföld melegebb levegőjét kényszerítik cserére. Az említett szélrendszereken kívül vannak időszakos és helyi jellegű szelek. A viharokat és a zavarokat a felhalmozódott légkör erők okozzák.

A szél mint energia

A szélenergia hasznosításának alapvetően két irányzata különíthető el. A lokális és a villamos hálózati.

Lokális felhasználáshoz tartoznak a helyi mechanikai munkát végző berendezések, ennek legismertebb változatai a gabona őrlését szolgáló szélmalmok, illetve a víz szivattyúzására használatos sűrű lapátozású, lassú forgású dugattyús- vagy membrán szivattyúkat hajtó 1-2 kW teljesítményű gépek. Helyenként az ilyen típusokat villamos energia előállítására is használják úgy, hogy akkumulátorokat töltenek és az energia felhasználása a szükséges időpontokban az akkumulátorból származik. Lokális felhasználás elsősorban ott lehet gazdaságos, ahol a villamos hálózatoktól a felhasználási helyek távol esnek és a hálózatok kiépítése egy - egy gép megvalósításának a többszörösébe kerülnek.

Amikor m tömegű levegő v sebességgel mozog, mozgási energiája:

Megfigyelhető, hogy a szélirányra merőleges A felületen egységnyi idő alatt vA térfogatú levegő halad át.

Így a térfogatáram:

A teljesítmény a dinamikus nyomás és a térfogatáram szorzata:

Ez az ideális teljesítmény, a gyakorlatban ennek csak töredékét hasznosítjuk. A fenti következtetések alapján állítható:

a teljesítmény arányos a sűrűséggel;

vízszintes tengelyű szélkerék esetében a teljesítmény arányos a lapátok által súrolt felülettel;

a teljesítmény a szélsebesség harmadik hatványával arányos.

A szélkerekek vizsgálatához bevezették az ún. gyorsjárási tényezőt , amely a szélkerék-lapát kerületi sebességének (u) és a zavartalan szélsebességnek a viszonyszáma:

A szélkerekeket a gyorsjárási tényező alapján két nagy csoportra oszthatjuk:

- gyorsjárású gépek , szélturbinák, áramtermelő gépek

- lassújárású gépek , szélmotorok, vízhúzó gépek.

A szélerőgépek teljesítményjellemzőit a függvényében szokás megadni, így a teljesítmény:

ahol: cp a teljesítmény tényező.

Mérések

A szél energiatartalmát leginkább a szél sebessége határozza meg, ezért fontos minél nagyobb pontossággal rögzíteni azt, hogy a helyi viszonyok alapján lehetőség legyen a felállítandó szélerőmű optimális helyének meghatározására.

Hazánkban az 50-100 m oszlopmagasságú szélgenerátorok telepítése jöhet szóba, ezért a mérési eredményeket a dán minta alapján 30, illetve 50 m-re célszerű átszámítani. Az erre a célra szolgáló összefüggés:

ahol: v1 a szélsebesség z1 magasságban, v2 a szélsebesség z2 magasságban, a p kitevő jellemző értéke 0,14.

A valószínűsíthetően alkalmas területek meghatározása után szükséges a ténylegesen megfelelő hely kiválasztása.

Természetesen a szélenergia - mérő rendszer kiépítése a meteorológiai praktikumban elterjedt összeállításokéval azonos, jellemzően három fő egység található meg benne:

jeladó;

adatgyűjtő;

adatfeldolgozó.

Az adatgyűjtő általában mikroprocesszorral rendelkező hardware egység, mely alkalmas a jeladó által szolgáltatott impulzusok számlálására és tárolására. A mintavételek 1-10 másodpercenként történnek. Minél nagyobb a mintavétel gyakorisága, annál precízebb eredmények várhatók.

A széljárásra vonatkozó legfontosabb információk a szélsebesség eloszlási statisztikákból nyerhetők ki. A telepítendő szélerőmű várható hozamának lehetséges legpontosabb kalkulációjához a Windsiter a szélsebességeket harminc osztályba sorolja, mindegyik osztály 1m/s szélességű. A műszer lehetővé teszi egy második anemométer elhelyezését, mely segítségével a helyi széljárásról pontosabb kép kapható a különböző magasságokban. A méréseket általában 15 és 35 m magasságban végzik.

A szélenergia potenciál felmérés további fejlődésének kilátásai igen jók, a folyamatosan gyarapodó számítógépes erőforrások és a számítási eljárások hatékonysága lehetővé teszi a bonyolultabb modellek folyamatos fejlesztését. Másrészről a nagy adatállományok a hosszú távú szélklímára, és a nagy felbontású topográfiára vonatkozóan lehetővé teszik világszerte megbízható szél atlaszok készítését, valamint szélturbinák pontos elhelyezését.

A szélgenerátor technológia általános helyzete

A hálózatba kapcsolt szélturbinák technológiája ma már mind a lapátozás, mind a kapcsolódó egységek szempontjából fejlett. A telepített kapacitás ma már 18500 MW. Az utóbbi öt évben a telepített kapacitások 45 - 75 %-os növekedést mutattak évente. 1999-ben csak Németországban 1400 MW kapacitást állítottak üzembe. A szélerőművek gyorsan üzembe helyezhetők. Például egy 50 MW kapacitású szélerőmű a szerződések aláírásától számított egy éven belül működőképes lehet. Kidolgozásra kerültek a kis indítási, működési sebességű szélgenerátorok és a mechanikus áttételek nélküli sokpólusú generátorok. Ez utóbbi, további 5 - 10 %-os teljesítménynövekedéssel jár. Általában a technológiát három csoportra oszthatjuk.

Az elsőbe tartoznak a közép- illetve nagyméretű szélgenerátorok, melyek teljesítménye a 80-as évek óta 50 kW-ról 600 - 2000 kW- ra nőtt. A kereskedelemben kapható szélgenerátorok újabb, 1 - 2,5 MW-os generációját már telepítik, lecserélve a kisebb teljesítményűeket. Ez önmagában átlagosan 4 - 5-szörös teljesítménynövekedést jelent az adott területeken. A hálózatra kapcsolt szélgenerátorok gyakran szélfarmon üzemelnek. Többféle szélkerékváltozat is létezik, jelenleg a legelterjedtebb a háromlapátos, vízszintes tengelyű berendezés, mely szinte teljesen állandó forgási sebességgel működik. A változó fordulatszámú megoldások szintén ígéretes előnyökkel kecsegtetnek, és ma már rendelkezésre állnak a széltartalékot értékelő szoftverek és technológiák.

A második csoportba tartoznak a hibrid energiarendszerek közepes méretű szélgenerátorai, melyeket más energiaforrásokkal kombinálnak, mint pl. napelemekkel, dízelgenerátorral, ezeket vízhálózatok töltésére, vagy más speciális célokra használnak, mint vízpumpálás, akkumulátor feltöltés és sótalanítás (10 - 150 kW tartományra). Ezekkel a rendszerekkel lehet megvalósítani a szigetüzemű energiatermelést.

A harmadik a kicsi, különálló szélkerekek csoportja, amelyeket akkumulátortöltésre, vízpumpálásra, fűtésre használnak (10 kW tartomány alatt). Ez gazdaságosság szempontjából a legsikeresebb megoldás. Jelenleg 200 000 akkumulátortöltő kis szélgenerátor üzemel a világon. A legelterjedtebb szélenergia-technológia még mindig a vízhúzó szélmotor. A szélmotorokat a mezőgazdaságban főként szivattyúzásra, ritkábban egyéb gépek meghajtására használjuk. A vízhúzó, illetve a vízátemelő szélmotoroknál a lapátkerék forgó mozgását kulisszás, excenteres hajtóművek alakítják át a szivattyú által hasznosítható egyenes vonalú mozgássá. Ha a lapáttengely és a dugattyúrúd közé áttételi mechanizmust építenek, akkor a dugattyún hasznosítható nyomaték is módosítható. Az ilyen megoldások olyan kutaknál is alkalmazhatók, ahol a vízszint a talajszinttől 20-30 méter mélységben van, tehát nagyobb hajtónyomaték szükséges. Másik megoldás, ha a forgattyú membránszivattyút működtet. Itt kisebb a vízemelő magasság, de igen nagy a vízszállító képesség. Világszerte 1 - 2 milliót használnak rendszeresen, több mint 50 aktív gyártó ismert. A technológia felfutását elterjedésének számadatai jelzik.

Vízszintes tengelyű szélgenerátorok felépítése és részei

A szélmotorok a levegő mozgási energiáját alakítják át forgó mozgási energiává. A lapátkerék tengelye megegyezik a szél irányával. A korszerű szélgenerátorok 2 vagy 3 szárnylapáttal rendelkeznek aminek gazdasági és kiegyensúlyozási okai vannak. A gépház nagyságától függően 30-120 m magas tornyokon van elhelyezve, benne a villamos generátor, amelyet szélkerék hajt. Fontos eleme a szélturbinának a szélirány beállító berendezés, amely függőleges tengely körül elfordítja a tornyon levő házat, és ezzel eléri, hogy a lapátkerék a szélirányra merőlegesen álljon. A szárnylapátok hidraulikusan elforgathatók, így fékező hatást is kiválthatnak. A torony magassága általában 1-1,5 -szerese a lapátkerék átmérőnek.

A tengely, amin tárcsafék van, továbbítja a forgatónyomatékot a váltóhoz. Nagyobb gépeknél bolygókerekes váltóművet alkalmaznak. Általában aszinkron generátort építenek be, a szinkron típusú precíz fordulatszámot igényel. A szabályozó feladata, hogy illessze a rendelkezésre álló szélenergiát a szükséges teljesítménnyel, illetve beállítsa a lapátkereket a forgatható házon keresztül. A ház mindig megközelíthető a karbantartás miatt. A lapátkerék illetve a gépház a toronyra van szerelve.

A szélgenerátor legfontosabb eleme a lapátkerék, amely a levegő mozgási energiáját alakítja át a főtengelyre ható forgási energiává. A főtengely jó minőségű edzett, ötvözött acél. A főcsapágy, amely a főtengely tökéletes megfutását is biztosítja, kétsoros golyóscsapágy. A csapágyház a gépház padlójához van hegesztve. A csapágy veszi fel a széllökésekből, a tömegerőkből és hajlítónyomatékokból adódó terheléseket, ezzel is mentesítve a hajtóművet. A tengelykapcsoló csillapítási funkciót is ellát a hajtómű és a generátor között, két flexibilis gumibetét segítségével.

A szárnyra aerodinamikai felhajtóerő hat, ez a megfelelő széláram kialakulásával jön létre úgy, mint a repülőgépeknél. A szárnylapát mentén keletkező megfúvási szöget állandó értéken kell tartani. A felhajtóerő arányos ezzel a szöggel. A lapátkereket forgató erő a szárnylapáton keletkező felhajtóerőből származik. Ebből jön létre a tengelyen a forgatónyomaték. Míg az ellenálláserő kelti az oszlopon létrejövő hajlító nyomatékot.

Manapság a hengerelt acél torony a legelterjedtebb Európában, míg az Egyesült Államokban a rácsszerkezetű. A kisebb szélgenerátoroknál alkalmazzák az acélsodronyos kifeszítést is az egyszerűbb szerkezet miatt. A torony magasságát optimalizálni kell a jobb szélviszonyok, szilárdságtani és gazdasági tényezők függvényében. Telepítésnél figyelembe kell venni a házat felhelyező daru elhelyezését is. A kábelezés a földben vezet a transzformátorhoz. A csoportos telepítésnél először összefutnak a vezetékek, majd azután kapcsolódik a hálózatra. A legjobb szélpotenciálú környezetben is figyelembe kell venni a kábelezési költséget a fő hálózathoz. A szélmérő (anemométer) fontos részegysége a szélgenerátornak. Segítségével felmérhetjük a gép vagy szélerőmű park hatásfokát. A szabályozás és viharvédelem a szélsebességtől függően vezérelt. A vezérlést a beépített érzékelők jelét felhasználó és programvezérelt mikroprocesszor és központi számítógép végzi. E rendszerek már csak villamos hálózattal együtt képesek működni, csak így biztosítható a hálózati frekvencia. A generátor egy különleges kialakítású 4/6 pólusú aszinkrongenerátor. Alacsonyabb szélsebességeknél a vezérlés a 6 pólusú rendszert, nagyobb szélsebességeknél pedig a 4 pólusú kört kapcsolja be, ezzel biztosítva a gép jobb kihasználtságát. Saját termosztátos, folyadék hűtéses rendszerrel van megoldva a berendezés üzemi hőmérsékleten való tartása.

A korszerű szélgenerátorok már két generátorral dolgoznak, a kisebb teljesítményű generátor kis szélsebességnél, a nagyobb pedig a 10 m/s feletti szélsebességnél kapcsolódik a rendszerre. A lapátkerék forgási sebességének és egyéb műveletek ellenőrzéséhez használt műszerek, a lapát szélirányba állásához az elektrohidraulikus szabályozó egység, a lapátozás forgási sík szélirányba fordításához rendszeresített segédmotorok áramforrása a hálózat. Ennek megoldására a hajópadló és a torony közé egy elektromotorral hajtott homlokfogaskerék-hajtóművet építettek be. Egy hidraulikus tárcsafék segíti és védi a követő rendszert, a pontos irányba állítást.

Az irányba állítást és az egyéb vezérlési funkciókat egy saját mikroprocesszor végzi el. A rendszer saját vezérlő programmal működik, melynek ellenőrzése ki- és beírása a toronyban található terminál segítségével történik. A terminál a vezérlő szekrényben található, melynek saját kijelzője és billentyűzete van. A processzor a vezérlésen kívül tárolja a rendszer üzemmenetét amit meghatározott időközönként ki lehet olvasni, majd a kapott adatokból számítógép segítségével pontosan ki lehet elemezni. Így meg lehet vizsgálni az utolsó eltelt időszakban a gép pontos működését, melyek a gép későbbi üzemeltetéséhez nagy segítséget nyújtanak. A vezérlés természetesen megoldható "on-line" módban is, amihez az kell hogy a gép össze legyen kötve (rádiófrekvenciás úton, telefon v. villamos hálózaton stb.) a központi vezérlővel.

A szélgenerátort 30-120 méter magas, zárt acél oszlop toronnyal gyártják. A torony alsó részében található a villamos elosztó szekrény és a vezérlő terminál. Innen vezet egy alumínium létra fel a gépházba. A tornyot természetesen villám- és rövidzár védelemmel látják el.

A szélerőművek létesítésének feltételei

Ahhoz, hogy szélmotort, vagy szélerőművet létesítsünk számos követelményt kell mérlegelni. Ezért gondos előkészítést igényel. A megvalósíthatósági tervek elkészülte után megszületik a döntés, hogy az adott helyre tervezett szélerőmű megvalósulhat-e. Ha a döntés a megépítés mellet szól abban az esetben a finanszírozáshoz szükséges üzleti tervet kell elkészíteni. A beruházóknak fel kell tárniuk a lehetséges állami és EU támogatási lehetőségeket ill. banki forrásokat. A finanszírozási struktúra elkészítése után a tervezési feladat a gyártó által átadott tervrajzok honosításával folytatódik. Az elkészített tervrajzok alapján a szélerőmű építési ügyében szakhatósági állásfoglalást kell beszerezni. A szakhatósági engedélyek beszerzése után kapható meg az építési engedély. A hatályos építési engedély birtokában a realizálódott finanszírozási struktúrával lehetséges a gyártóval a szállítási, és általában a karbantartási szerződést megkötni. A szélerőművek létesítése során az Európai Szélenergia Egyesület ajánlja a környezeti hatástanulmány elkészítését. A kötelező környezeti hatásvizsgálat körét szabályozó 171/1999 (XII.6.) Kormány rendelet a szélerőművek létesítése esetére nem írja elő környezeti hatástanulmány készítését. A Magyar Szabványügyi Titkárság kifejezetten a szélenergia hasznosításával kapcsolatosan semmilyen szabványt nem tart nyilván.

A szélenergia gazdaságossága

A szélenergia gazdaságossága 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. A nemzetközi szélenergia bizottság által meghatározott trendet a következő ábra szemlélteti. Az ábrából jól látható, hogy az árnak igen jelentős csökkenő trendje van és 2005 környékén már versenyképes lesz az egyéb energiaforrásokkal is.

IRODALOM

Horváth G.: A szélgenerátor-oszlopok jellemzőinek összefüggései. Doktori értekezés, Szent István Egyetem, Gödöllő, 2001.

Horváth G., Tóth L.: The activities in wind energy in Hungary. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Elsevier Science, Vol 5/2, pp 191-200, 2001.


<-- Vissza az 2001/11. szám tartalomjegyzékére