Szélmotorok, szélerőművek

Kategória: Agrárenergetika | Szerző: Dr. Tóth László professzor emeritus, 2018/05/22

A világ szélerőmű-kapacitása 2016 végén mintegy 485 GW1 volt. 2020-ban várhatóan ~800 GW kapacitás működik majd a világban. A 2010-es évtől Kína gigantikus fejlesztésbe kezdett, s napjaink legnagyobb gyártója és felhasználója lett, de igen intenzíven fejlesztenek az USA-ban is (1. ábra).

1. ábra. A világ összes és egyes élenjáró államainak fejlődési trendje (GW = 1000 MW)

2. ábra. A szélmotorok és generátorok szerkezeti jellemzői

A szélenergia-termelés a 2010-es évhez viszonyítva napjainkra az EU-ban is ~200%-kal növekedett, 2020-ra pedig további – a mai bázishoz viszonyítva – 21%-kal növekszik majd. A szélerőművekbe beruházott tőke mind a világban, mind Európában már több éve az összes energiatermelési célú beruházások közül a legmagasabb értékű.

Alapvető jellemzők a szélenergiáról

A szélerőművek hatásfoka, kihasználási tényezője függ a telepítés helyétől és az egymáshoz képesti elhelyezkedéstől. 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 szigetüzemű, de a szélerőműpark mint komplex energiatermelő egység is megjelenhet.

A mai korszerű szélerőműveket:

• új, karcsúbb és hosszabb lapátok;
• aerodinamikailag tökéletesebb profilok;
• nagyobb és jobb hatásfokú generátorok;
• magasabb tartóoszlopok;
• könnyebb szerkezeti elemek;
• hatékonyabb és megbízhatóbb vezérlési megoldások;
• pontosabb mérőrendszerek és adatfeldolgozás jellemzi.

A megbízhatóbb légköri előrejelzések révén az energiatermelés, a hálózatokkal való együttműködés is hatékonyabbá vált. A fejlesztések további pozitív eredménye az azonos teljesítményű erőművek kisebb területigénye, tehát javul a területkihasználás. Azonos területen a gépegységek darabszáma csökken, a nyert energia viszont növekszik. A technikai és technológiai fejlődés tette lehetővé, hogy a ’80-as évektől kezdődően a tengerpartokról egyre inkább a szárazföldek belseje felé telepítsék a generátorokat, oda, ahol az energiafelhasználás is folyik. Ezáltal az energia szállítási vesztesége és a létesítés költsége is csökkent. Ezzel párhuzamosan intenzíven folyik a tengeri rendszerek fejlesztése, nagy tengeri parkok létrehozása.

A szélgenerátorok2 teljesítmény szerinti felosztása

A villamos szélturbinák felépítése ma már mind a lapátozás, mind a kapcsolódó egységek szempontjából kiforrott.

A függőleges tengelyű változatok legjellemzőbb kivitelei a Savonius-típusok, amelyek leginkább hasonlítanak a legősibb perzsa szélmalmokhoz. Ezekre hasonlítanak a lemezes és csészés kivitelek, de az ún. Giromill-berendezések is.

A kiviteleket általában három csoportba sorolhatjuk:

• kis teljesítményű, különálló (szigetüzemű) és kombinált, hálózatra is termelő generátorok;
• hibrid energiarendszerek;
• a közép-, illetve nagyméretű szélturbinák.

A kis teljesítményű, különálló (szigetüzemű) generátorokat rendszerint akkumulátortöltésre használják (0,5–5,0 kW teljesítmény esetén). A mechanikus energiát szolgáltatók közül a leggyakoribbak vízhúzók, ún. sűrű lapátozású (amerikai) rendszerek.

A különféle kivitelű, kis teljesítményű villamos szélgenerátorok szigetüzemű rendszerek, háztartások vagy kisebb ipari létesítmények (pl. átjátszó állomások) villamosenergia-ellátását szolgálják, esetenként belsőégésű motoros aggregátorral együtt. Ezek a rendszerek gazdaságosság szempontjából a villamos hálózatoktól távol eső helyeken a legsikeresebbek.

3. ábra. Vízszintes (A) és függőleges (B) tengelyű generátor

A villamos hálózattal általában a 4–5 kW-nál nagyobb teljesítményt szolgáltató egységek működnek együtt (4. ábra).

4. ábra. Villamos hálózattal együttműködve (saját cél, vétel és eladás)

Villamossági szempontból előnyösebb, ha a termelt és tárolt energiát inverteren keresztül, váltakozó feszültségű, a hálózatból nyert háztartási villamos energiához hasonló (230 V feszültségű és 50 Hz frekvenciájú) villamos energiává alakítják át, s így a hagyományos háztartási berendezések is közvetlenül üzemeltethetők.

E rendszerek fajlagos termelési költsége jóval magasabb, mint a nagy teljesítményű szélgenerátoroké, ezért azokon a fogyasztási helyeken, ahol a közcélú villamos hálózat rendelkezésre áll, megfontolandó az alkalmazásuk.

A nap- és szélenergiás hibrid energiarendszereket (5. ábra) legtöbbször a közcélú villamos hálózattól távoli területeken, városokban, parkokban az utak megvilágítására használják. Hegyvidékeken, szigeteken a rádió- és TV-átjátszó állomások energiaigényét biztosítják, 2–10 kW-os egységekkel, amelyeket 5–10 m2-es PV-panelekkel is kiegészítenek. Mindkét egység akkumulátorra termel, s a műszerek működtetéséhez szükséges energiát azokból vételezik. Az utóbbi években e kombinációk a LED világítás alacsony fogyasztása miatt egyre nagyobb teret nyernek a közvilágítás célú alkalmazásokban.

5. ábra. Szél- és napenergiás, hibrid, hálózatfüggetlen közvilágítás

6. ábra. 50 kW teljesítményű szélgenerátor gondolájának felépítése
1. szélirány- és szélsebességmérő a vezérléshez, 2. rádióantenna, 3. villamos
vezérlés, 4. generátor, 5. tárcsafék, 6. nyomatékváltó, 7. létra, 8. szélirányba
forgató mechanizmus, 9. lapátagy, 10. lapát, 11. toronycsatlakozás

A szélgenerátorok szerkezet szerint felosztása

A tengelyelrendezés szerint, vízszintes és függőleges kivitelek különböztethetők meg, ezen belül is lehetnek:

• függőleges, a szélirányra merőleges,
• vízszintes, a széliránnyal párhuzamos,
• vízszintes, a szélirányra merőleges tengelyű kivitelek.

A függőleges tengelyelrendezésű változatoknak (3/B ábra) alapvető előnye, hogy bármilyen irányból érkező szelet képesek hasznosítani, vagyis a szélirány változása a munkájukat, a kinyert energiát nem befolyásolja. Továbbá egyszerű hajtásátvitelt tesznek lehetővé, mivel a talaj közelében helyezkedik el a tengelyvég, ahová a további energiaátalakító, illetve fogyasztó berendezések (pl. nyomatékváltó, szivattyú stb.) közvetlenül csatlakoztathatók. Hátrányuk viszont, hogy a lapátok által súrolt felület a földhöz közel helyezkedik el, és a magasabban fújó, nagyobb sebességű (energiaértékű) szeleket nem tudják hasznosítani.

Műszaki kivitelüket tekintve napjainkig igen sokféle szélgenerátort alakítottak ki a fejlesztők és gyártók, viszont a gyakorlatban leginkább a vízszintes tengelyű változatok terjedtek el.

Jó példák vannak arra, hogy az amerikai rendszerű vízhúzó szélmotorokat domb- és hegyvidéki körülmények között is alkalmazhatjuk. Ekkor a lejtőn emelkedő, illetve a lejtőn lefelé irányuló szeleket lehet felhasználni. Például erdős területeken is a függőleges vagy vízszintes irányú irtásokban. Gödöllő térségében hosszú éveken keresztül alkalmaztak ilyen berendezést vadállatok ivóvízellátására, vaddisznós területeken az állatok dagonyázásához szolgáltattak vizet száraz nyári időszakokban. Hangsúlyozni kell, hogy bármilyen egyszerű szerkezetekről is van szó, a folyamatos karbantartás nem hanyagolható el. Ahhoz, hogy az említett amerikai rendszerű géppel az év során folyamatosan megfelelő mennyiségű vizet lehessen biztosítani, a telepítést megelőzően szélméréseket kell végezni, amelyek alapján a terület szélviszonyaiból a várható vízhozam és a szükséges tároló mérete is kiszámítható. Mivel 1–2 napos teljes szélcsendek előfordulhatnak, ezért gondoskodni kell az ivóvíz átmeneti tárolásáról (7. ábra).

7. ábra. Víz kiemelése ásott vagy fúrt kútból (hazai fejlesztések, Tóth 1981)

A szelesebb időszakokban termelt többlet vízmennyiséget nagyobb térfogatú tartályokban gyűjtik össze. A magyarországi vizsgálatok azt bizonyították, hogy az ország sík területein szinte bárhol eredményesen használhatók. A telepítéseknél kerülni kell a szélárnyékos helyeket, amelyek lehetnek dombok vagy magasabb létesítmények mögötti területek stb. A berendezés nyilvánvalóan azokon a helyeken versenyképes az energia-előállítás költségeit is figyelembe véve, ahol hálózati villamos energia nem áll rendelkezésre, illetve nagy távolságokra lenne szükséges a hálózat kiépítése. A szivattyúzó szélmotoroknál a villámvédelmi földelő vezetéket a kút vízterével célszerű összekötni, amelynek vezetéke a csőhálózat is lehet.

Figyelembe kell azonban venni azt is, ha a vizet nem felszíni kutakból, hanem 15–25 méterről nyerjük, mivel a mélységgel arányosan a lapátkerék indítási energiaigénye (nyomatékigénye) jóval nagyobb. A 20 méter mélységbe lehelyezett szivattyúnak 2 bar statikus terhelést kell az indulásnál legyőznie, ami csak a kisebb átmérőjű, dugattyús szivattyúkkal valósítható meg. Számolni kell azzal is, hogy a nagyobb nyomatékigény miatt kisebb szelekben a gépek el sem indulnak, ilyenkor a megoldást a nagyobb lapátkerék kiválasztása jelentheti.

A sűrű lapátozású változatokkal a villamos generátorokat is meghajthatjuk. A lapát kicsi alapfordulatszámából kiindulva a villamos generátorokhoz gyorsító áttétel szükséges. Általában 1:30–1:40 áttételi viszonyt kell alkalmazni, mivel a lapátkerék maximális fordulata 100-nál nem lehet nagyobb. A lapátkerék gyakorlatilag csak statikailag egyensúlyozható ki, dinamikailag nem. Különösen azon változatoknál kell figyelmesen eljárni, amelyek lapátkerekének összeszerelése a helyszínen történik. Már a kisebb szerelési geometriai eltérések számottevő kiegyensúlyozatlanságot okoznak, ami törésekhez, korai kifáradáshoz vezethet. Sűrű lapátozású változatokat Magyarországon is gyártottak. Ezek fejlesztése az 1980-as évek elején kezdődött, majd szériagyártás is folyt. Szórványosan jelenleg is vannak egyedi gyártók.

A fentiekből is következik, hogy a kis szélerőművek az alacsonyabb tartóoszlopok miatt elsősorban sík vagy ún. kopasz dombos területeken telepíthetők. Városok, falvak belterületén a magasabb tárgyak számos problémát, miatti szélárnyékot, turbulens (kavargó) szeleket okoznak, ezért a hatékonyságuk is igen kedvezőtlen.

Házak tetőzetére csak igen gondos építészeti eljárásokkal applikálhatók a működésük során fellépő, a forgás és széllökések okozta vibrációk miatt.

Kis gépeknél az egyéni kezdeményezések során elkövetett leggyakoribb hibák:

• nem végeznek szélmérést;
• a helyet hibásan választják meg (pl. szélárnyékba telepítenek);
• a várható zajhatást nem veszik figyelembe;
• a hálózati csatlakozás lehetőségét nem tisztázták előzetesen az illetékes áramszolgáltatóval.

A hibás telepítések tipikus esetei azok, amikor a szélgenerátor működő felületét ún. szélárnyékba helyezzük. Családi ház esetén a generátor magassága min. 60–90%-kal legyen magasabban, mint a közeli épületek gerincmagassága, mivel gépet elérő szél csak ebben a magasságban lehet megközelítőleg zavarmentes. A hibás és az elfogadható elhelyezéseket a 8. ábra szemlélteti.

8. ábra.
A telepítésekre jellemző példák Helyes 5; helytelen 9; ha a fő szélirány 60–70%-ban azonos és a jelzettnek megfelelő. A) fás terület és néhány házból (épületből) álló tanya, farm; B) település, falu, kisváros; C) nagyobb épületblokkokból álló lakótelep, üzem; D) nagy fedélsíkú épület, pl. városszéli nagyáruház; E) egyedül álló családi ház

Számos kiadvány (tanácsadó füzet) jelent meg abból a célból, hogy e berendezéseket barkácsolással, házi körülmények között is elő lehessen állítani. E cikk szerzője azonban óvja a barkácsolókat a házi kivitelezéstől. A gyárilag, szériában gyártott berendezéseknél a különféle szerkezeti egységek kísérletekben kipróbáltak (szilárdsági, dinamikai, anyagkifáradási szempontokból), jól működik a viharvédelmi rendszerük is.

A házilag gyártott kiviteleknél gyakori – még akkor is, ha a szerkezeti kialakítást valamilyen meglévő példányról másolják – a kivitelezési hiba, például nem megfelelő szerkezeti anyagokat használnak, vagy a hegesztéseket nem végzik el kellő alapossággal. A használat során az állandó vibráció miatt gyors anyagkifáradások következnek be, és ennek a következményei beláthatatlanok. A nagy szélben leszakadó lapát akár 50–150 méter távolságra is elrepülhet, kárt téve anyagi javakban, esetleg emberéletekben. A berendezések egyike sem méretezhető extrém szélviszonyokra, amikor még a jól konstruált és kipróbált típusok is meghibásodhatnak. A barkácsolással készített gépeknél a deformációk már kisebb, közel sem extrém szeleknél bekövetkeznek (erre számos példát lehetett találni az ország különböző területein).

Nagyteljesítményű vízszintes tengelyű szélerőművek

Méret szerint a harmadik csoportba tartoznak a középes, illetve nagyteljesítményű, vízszintes tengelyelrendezésű szélturbinák, amelyek teljesítménye a ’80-as évek óta 0,1 MW-ról 0,8–8,0 MW-ra nőtt. Az iparág fejlődésének köszönhetően, újabban 2–3 MW-os, korszerű szélturbinákkal cserélik le a korábbi létesítésű, kisebb teljesítményű (0,1–0,5 MW) szélerőmű egységeket (USA Kalifornia, Dánia, Hollandia, Németország). Ez önmagában az adott területen átlagosan 5–15-szörös beépített villamosteljesítmény-növekedést jelent, a magasabb tornyok miatt nagyobb szélsebességet kapó generátorok jobb hatásfokkal működnek és kedvezőbb a területi kihasználásuk is. Annak ellenére, hogy Magyarország nem a legszelesebb térségbe tartozik, a nagyteljesítményű, korszerű, magas oszlopokkal rendelkező erőművekkel berendezett szélparkjaink az egységnyi beépített teljesítményre vetített energiakihozatal tekintetében Európában a 4–5. helyen szerepelnek (az EUROSTAT 2015 értékelése szerint).

A hálózatra kapcsolt szélgenerátorok jellemzően szélerőmű parkban üzemelnek. Konstrukciójukat tekintve napjainkban a legelterjedtebbek a háromlapátos, vízszintes tengelyű kivitelek, amelyek fix vagy szabályozott állásszögű rotorlapáttal működnek. Kontinentális viszonyok között az utóbbi megoldások hatékonyabbak. Ezt a mikroelektronika nyújtotta lehetőségek és a célra orientált szoftverek is segítik, például a teljesítményszabályozás által.

A villamos szélturbinák felépítése ma már mind a lapátozás, mind a kapcsolódó egységek szempontjából kiforrott. Az általános felépítésüket a 9. ábra szemlélteti.

9. ábra. A hálózatra termelő villamos szélerőmű szerkezeti felépítése

A legelterjedtebb tartószerkezet a 60–135 m magas, kúpos kivitelű acéltorony. A tornyon belül létra vezet (több pihenőszinten keresztül) a torony tetején lévő gépházba. A nagyobb gépeknél szerelőliftet is használnak, amelyben a kisebb alkatrészeket szállíthatják, de a szerelők is megközelíthetik a gondolát. A tornyok villámcsapástól és rövidzárlattól is védettek. Villámvédelmi okokból a toronyszerkezeteket a magas létesítményekre vonatkozó előírásoknak megfelelően földelni kell. A berendezések tartószerkezetének kialakítása igen sokféle lehet.

A nagyobb erőműveknél leggyakrabban a kónuszos csőoszlopot, a kisebb berendezéseknél inkább rácsos szerkezeteket alkalmaznak. A kifejezetten magas tartószerkezetek esetén – főként szállítási okokból – különféle rácsos szerkezeteket, szegmensekre bontott előfeszített vasbeton, valamint acélcső elemeket, legújabban pedig palástelemekre bontható csőszerkezetet alkalmaznak.

Hazai helyzet

2010-től nem épültek Magyarországban új szélerőművek, mivel a törvényi rendszer nem tette lehetővé. Az újabb rendeletek is inkább hátrányt, mint telepítési előnyt jelentenek (gépek mérete, építési helyek, csatlakozási engedélyek stb.). Pedig ha a szél- és napenergiát összehasonlítjuk, a szél gazdaságosabb. A beruházási tőkére vetítve nagyobb a fajlagos energiakihozataluk (~50%-kal), és 20–25 szeresen kisebb a helyigényük.

Viszont a PV-rendszereknek nagy előnye, hogy decentralizáltan, háztartási méretekben is kedvező költségaránnyal telepíthetők. Sajnos a jelenlegi támogatási rendszer ezt a szempontot nem részesíti előnyben. A korszerű szélerőművek bizonyított és garantált élettartama 23–25 év, de szakszerű szervizeléssel és állagmegóvással – a tapasztalatok szerint – 25 évnél több a várható tényleges élettartamuk.

A napjaikig megszerzett tapasztalatok alapján fajlagosan olcsóbb a szélerőművekben termelt áram, mint a szén- vagy gázerőművekben. A teljes termelési költséget figyelembe véve (tőkeköltséggel együtt) a szélerőművek beruházása (tőke- és kamatköltsége) 10–12 év alatt megtérül.

Ezt követően a szélerőművek marginális termelési költsége közel nulla (pótlólagos energia a szél, tüzelőanyagra nincs szükség). Emiatt ma már a megtérült szélparkok (tőkeköltség nincs) alacsonyabb áron kínálhatnak energiát, így mindenképpen megelőzik a magasabb marginális költséggel termelő hőerőműveket.

Amennyiben egy magyarországi szélerőmű befektetési költsége megtérül (mai támogatás mellet ez ~10–12 év) az előállított villamos energia költsége 5–7 Ft/kWh-ra mérséklődik. Ennél olcsóbb energia nincs, és ezt még legalább 10–15 évig produkálják (de nem kizárt még a 20 év sem). Ez azt is jelenti, hogy az Európában létesített nagy szélparkok egyre jelentősebb része napjainkban már túl jut a megtérülésen, így alacsony áraikkal meghatározóvá válnak a villamosenergia-piacon.

Ajánlott kiadványokDr. Hajdú József:
A 21. század traktoraiDr. Kukovics Sándor szerk.:
A bárány- és juhhús fenntarthatóságaBai Attila - Lakner Zoltán - Marosvölgyi Béla - Nábrádi András:
A biomassza felhasználásaHarasztiné Lajtár Klára:
A borkezelés, palackozás, csomagolás és szállítás berendezései - Borászati technológiák II.

Ez is érdekelhetiA káposztafélék gépi betakarításaParlament előtt a 2025. év adózását meghatározó őszi adócsomagA lovak jólléte: a gondos lótartás eszközei és szabályai