3D Modellezés
Grafika
Web

Szabó István mérnöktanár - 2018.

Külön köszönet Pavel Kotov-nak a szél szimulálásához nyújtott segítségért

Special thanks to Pavel Kotov for the help of wind simulation!

A lapátok feladata, a szélenergia átalakítása forgó mozgássá. Jellemzően a szél sebességét m/s értékben adják meg, ezért én is ebben a mértékegységben értelmezem. A lapátokat (3db) egy orrkúphoz csatlakoztatva rögzítik. A forgórész mozgásának könnyítésére - típustól függően - csapágyak biztosítják a legkisebb gördülő ellenállást. (Egy 2kW-os szélturbinában a csapágyban lévő golyó akkora, mint egy kosárlabda) Amikor a szél sebessége eléri a 2-4m/s értéket, a rendszer nműködésbe lép. (Az orrkúp a hozzá rögzített lapátokkal és egyéb berendezésekkel összefoglaló néven ROTOR-nak is nevezik) Típustól függően a névleges (villamos) teljesítményük eltérhet, de általában a 12-16m/s értéket tartjuk olyan szélsebességnek, ahol a szélerőművek hatékonyan működnek.

Bizonyára felmerülhet a kérdés: mi van akkor, amikor a szélsebesség az ideális értéket jóval meghaladja? A tervezők erre is gondoltak. 25m/s érték felett a rendszer kikapcsol, vagyis a szélerőmű leáll. Köztes szélsebességnél, a lapátok szöge automatikusan elfordul, hogy kisebb felületen érje a szél, így biztosítva a közel egyenletes tengely fordulatszámot. Ezt mutatja az alábbi kép:

Érdekes még, hogy a szél sebessége az idő függvényében nem állandó. Ezt a változót maga a rotor tömege - akár több 10 tonna is lehet - hidalja át a tehetetlenség révén.

A lapátok kialakítása egy külön tudományágat képvisel, mely más területeken is nagy jelentősséggel bír, ez az áramlástan. Anyagát tekintve üvegszállal megerősített műgyantából készül, de a súlya így is közel 5-8 tonna lehet.

A kész rotort többnyire egyben emelik a torony tetején lévő gondolához és gondosan rögzítik. A lapátok rendszeres karbantartása szemrevételezéssel történik, ilyenkor a szerelő kötélen kifüggeszkedik, végigjárja a lapátot. (Évek szakmai tapasztalata kell a hibák megitélésében)

A szélerőmű teljesen automatikus rendszerrel működik. (Távfelügyelettel azonban nyomon követhető a stabil működés) Amikor a szél sebessége elér egy felső határértéket, vagy karbantartási munkák folynak a szerkezeten a lapátok forgása leállítható, illeve a rendszer azonnal automatikusan beavatkozik. Egy több tonnás szerkezetnél, annak tehetetlensége miatt azonban a forgás megállása hosszú idő lenne, ezért fékrendszert építenek be. Az autók tárcsafék rendszeréhez hasonló a működési elve, azonban a nagy nyomaték miatt itt a méretek is más léptékűek. Az olajnyomással működtetett dugannyúk egy karbon alapú fékpofát szorítanak egy speciális ötvözetű fémtárcsához, így a forgás gyorsan megáll. A forgórészt stabilan tartja egészen a feloldó jel megérkezéséig, vagy kézi utasítás alapján indítható újra a rendszer. (Kézi biztosítással is rögzítik a fékeket karbantartáskor, főleg a lapátok ellenprzése során.)

A súrlódás okán kelekezett hő elvezetésére az automatikus olajozó rendszer folyamatosan cseréli (több körösen) a hűtőközeget. Karbantartáskor a fékpofa és féktárcsa vastagságának ellenőrzése nagyon fontos feladat, annak ellenére, hogy érzékelők egész sora figyeli a kopás mértékét.

Egyes kialakításoknál dupla tárcsás megoldást alkalmaznak, mely a két tárcsa közé elhelyezett terelőlemezek segítségével léghűtést (is) biztosít a fékrendszernek.

Kisebb teljesítményű szélturbináknál - kialakítás függvényében - a megálláshoz az egyenáram mágneses mezeje által, a féktárcsában indukált örvényáramokat is felhasználhatják Lenz törvényének alkalmazásával.

A szél energiájának köszönhetően a lapátok által forgó mozgásra konvertált energia forgási sebessége nem állandó. A több tonnás rotor kb. 16 fordultatot tesz meg percenként. A generátor által indukált feszültséghez ez nagyon kevés, mint fordulatszám. Ezért a rotor forgórésze és a generátor tengelye közé váltó-rendszert terveznek a mérnökök. A váltó feladata, hogy a generátor tengelyének fordulatszámát felgyorsítsa, hogy a generátor a megfelelő indukált feszültség előállítására képes legyen. (Az áttétel nagysága függ az előzetes mérésektől, a villamos generátor kialakításától és annak típusától - lásd a Generátor c. részben)

Ahogy a képen is látható, készülhet a váltó több sebességi fokozattal is. Ennek oka, hogy a szélerősség hirtelen is változhat pozitív, vagy negatív értékben, de a generátor fordulatszámát közel állandó értéken kell tartani. Ez a szabályozási rendszer egyik fontos feladata. A szélsebesség változásakor az átkapcsolás - egyik fokozatból a másikba - automatikusan történik, előre meghatározott tartományokban. Így biztosítják a generátor tengelyének állandó fordulatszámát. (E prezentáció nem tér ki a szinkronforulat számításaira, de az alapvető képletet érdemes megjegyezni, mert más tantárgyban még jól jöhet)

A szélturbinák - teljesítménytől függően - két csoportba oszthatók:

• Szigetüzemű (stand-alone)
• Visszatápláló rendszer (grid-connected).

Az első - szigetüzemű - rendszer független a szolgáltatói elosztó hálózattól, vagyis csak saját fogyasztókat táplál. Legfontosabb elemei a generátor mellett az akkumulátor a szabályzó és az inverter. Az előbbire azért van szükség, mert a generátor által előállított, de fogyasztó által el nem használt villamosenergiát tárolja. A szabályzó rendszer a töltés-kisütés állapotát szabályozza az optimális értékekre. (Túltöltés, mélykisütés elleni védelem) Az inverter, a fogyasztói hálózaton üzemeltetett készülékek, berendezések névleges feszültségét (frekvenciáját) biztosítja.

A visszatápláló rendszer az elosztó-hálózatra termeli vissza - megfelelő mérési rendszeren keresztül - azt a többlet villamos energhiát, amit a fogyasztók nem használtak el. (A hálózatba visszatáplált villamos energiát - 2014-es adatok alapján - a MAVIR 34Ft/kW áron vásárolja.) A két említett rendszert lehet vegyesen is alkalmazni, vagyis amikor a szélenergiát használja a fogyasztó, akkor az akkumulátorból - az inverteren keresztül - működteti a készülékeit, ha pedig nincs, vagy alig van fogyasztás, a rendszer visszatáplálja a többlet energiát a hálózati rendszerbe. Ekkor egy oda-vissza villamos fogyasztásmérő rögzíti az adatokat. Az elszámolás e kettő különbségéből adódik. Hosszú távon a fogyasztó jelentősen tudja csökkenteni a villamos energia számláját, de nem szabad elfelejteni, hogy a bekerülési költség még igen magas.

A generátorok felépítése:

• Aszinkron, mely lehet rövidrezárt forgórészű vagy csúszógyűrűs kivitel
• Szinkron, mely lehet állandó illetve elektromágneses.

A szélturbinák egyes fajtái többnyire közvetlen hálózatra termelnek. Ilyenkor a generátor forgórészét szinkron-fordulatra gyorsítják, majd rákapcsolódnak a hálózatra. (Ez a szinkronizáció) A rendszer ekkor elég érzékeny a hirtelen változásokra, ezért a szabályozókra fontos feladat hárul. (pl.: lapátszög állítás szélsebesség változás esetén illetve a sebességváltó automatika pontos fokozatának beállítása) A generátorok kivitele a lehető legegyszerűbb. A tervezés során az elsődleges szempont a hosszútávú, (20-30 év) stabil működés és alacsony karbantartási igény. A gyártók között nagy verseny van a megrendelésért, ezért a generátorok fejlesztése napjaink egyik meghatározó tervezési kihívása. (Hely hiányában a generátorokról részletesebb információt a Villamos gépeknél tárgyalunk)

A prezentációban a generátor mellett egy olajtároló látható (jelképes). A surlódás(ok) okozta hő csökkentését és a gördülő alkatrészek kenését biztosítja. Zárt csőrendszeren keresztül minden alkatrész folyamatosan el van látva kenőanyaggal. Az olajnyomást villamos motor (kompresszor) biztosítja a hálózatban. (Ez látható a tartály előtt) Az időszakos karbantartások során a hűtőközeget pótolják. Általában toronydaruval emelik be a szükséges mennyiséget, de vannak olyan típusú szélerőművek, melyekben elektromos darut helyeznek el a gondolában e célra.

A szélturbina hosszú távra tervezett önműködő - de távfelügyelettel ellenőrzött - rendszer. Érzékelők egész sora ad folyamatosan jeleket, melyek szakaszos vagy folyamatos beavatkozást igényelnek. Ezt egy központi mikroprocesszor fogadja és dolgozza fel, majd utasítások alapján - többnyire PLC-n keresztül (Programozható Logikai Kontoller) - vezérli a berendezéseket. (Lapátszög állítás, torony elforgatás, fékrendszer, sebességváltó rendszer stb.)

A mai korszerű vezérlők távfelügyelettel rendelkeznek, melynek lényege, hogy bizonyos hibák, rendellenességek határétékének közelében (pl.: hőmérséklet emelkedés) üzenetet küld a felügyeleti rendszernek, ahol az ügyeletes mérnök vagy szakember döntést hozhat a beavatkozásról, esetleges leállásról.

Az alapvető működésben nagy szerepe van az inverter(ek)nek is. A generátor által előállított váltakozó feszültséget egyenirányítja, majd átalakítja szabványos értékre. (Ez lehet pl: 0,4kV / 50Hz) Szintén az inverter feladata, hogy a feszültséget stabilan a meghatározott értéken tartsa. (Feszültség szabályozás) Bizonyos esetekben transzformátoron keresztül lehet nagyobb feszültséget előállítani. (pl.: 20kV) Ez utóbbi berendezés különálló épületrészben kerül kialakításra és a nagyfeszültséget földkábeles hálózaton csatlakoztatják az elosztói hálózatra. A transzformátorházban kerül kialakításra a mérőrendszer, mely az elszámolás alapja.

A toronyba (gondolába) való feljutás bizonyos típusoknál nem egy kényelmes séta. Az alapzatról egy hosszú, részekből összeállított létrán lehet felmászni pihenő-szintek beiktatásával. A létra rögzítése erős állandó mágnesekkel történik, mert a csavarozás vagy szegecselés statikailag nyengítené a tornyot. (A létrán kívül a világítótestek és minden tartószerkezetet mágnesek rögzítenek a torony falához.)

A gyártók gondoskodtak azonban a viszonylag kényelmes(ebb) lift alkalmazásáról. Ebből is több típus létezik, talán az egyik legeltejedtebb az önfelhúzó lift, vagyis nincs ellensúly. Max. 2 személy teherbírására méretezik.

A gondola és a rotor szélirányba való forgatása villamos motorokkal történik. A jel érkezésekor, amikor a motorok működésbe lépnek, annak tengelye egy fogaskerék segítségével, a toronyra szerelt fogasléc-íven elforgatja a gondolát. A szélturbina nagyságától függően 2 és négymotoros kivitel készül, de van, ahol egy-egy oldalon 3-4 motorsor gondoskodik a finom-indításról. Az áttétel úgy van méretezve, hogy az elfordulás gyorsasága és megállása (fékezése) ne keltsen csavarodási erőt a toronyban. (Ha a gondola több tonna súlyával hirtelen elindulna, megállna, a tehetetlenség miatt a nagy erőhatás következtében sérülhetne a torony szerkezete)

Mivel a fogaskeréknél mechanikai erők lépnek fel, kenést (is) kell biztosítani az alkatrészeknek. A meghajtó motorok viszonylag hosszú élettartamra készülnek, de a karbantartás során néhány alapvető művelet szükséges a stabil működésükhöz. (Szinte minden szélturbina típusnál jól hozzáférhető helyre tervezik ezeket a berendezéseket. Jelen prezentáció az elforgató berendezésnek egy sematikus megjelenítésére vállalkozott.)

A gondola és a rotor szélirányba való forgatása villamos motorokkal történik. A jel érkezésekor, amikor a motorok működésbe lépnek, annak tengelye egy fogaskerék segítségével, a toronyra szerelt fogasléc-íven elforgatja a gondolát. A szélturbina nagyságától függően 2 és négymotoros kivitel készül, de van, ahol egy-egy oldalon 3-4 motorsor gondoskodik a finom-indításról. Az áttétel úgy van méretezve, hogy az elfordulás gyorsasága és megállása (fékezése) ne keltsen csavarodási erőt a toronyban. (Ha a gondola több tonna súlyával hirtelen elindulna, megállna, a tehetetlenség miatt a nagy erőhatás következtében sérülhetne a torony szerkezete)

Mivel a fogaskeréknél mechanikai erők lépnek fel, kenést (is) kell biztosítani az alkatrészeknek. A meghajtó motorok viszonylag hosszú élettartamra készülnek, de a karbantartás során néhány alapvető művelet szükséges a stabil működésükhöz. (Szinte minden szélturbina típusnál jól hozzáférhető helyre tervezik ezeket a berendezéseket. Jelen prezentáció az elforgató berendezésnek egy sematikus megjelenítésére vállalkozott.)

A szél irányának érzékelésére több módszer is létezik. Klasszikusan a szélzászló az egyik, ami a korai szélkakas elvén működik. (Mindig a legkisebb felületével - az élével - fordul a szél irányába) A mai szélzászlós megoldásban a térérzékelő 1°-os felbontású. (Mivel nem potenciométeres a felépítés, így nincs holt szektor)

Jelen prezentációban a nyomáskülönbség elvén működő modell látható. Elve nagyon egyszerű. A két, egy hatásvonalon, de ellentétes irányú hajlított csőben a szél hatására egyforma nagyságú nyomás van. Ennek különbsége elvben nulla. (Ekkor áll szélirányban a gondola.) Ha megfordul a szélirány, az egyik csőben csökken a nyomás a másikhoz képest. A nyomáskülönbség által - különbségképzővel - generált jel hatására a kommunikációs eszköz döntést hoz, hogy beavatkozzon e, vagyis utasítást küld e a vezérlő egységnek, hogy a gondola elforduljon. Mivel a mérési adatok pillanatnyi feldolgozással működnek, így egy-egy periódusidő alatt átlagolás alapján hozza meg a döntést a mikrokontroller. (Programozható IC)

Az ultrahangos mérés elve, hogy egymással szemben 2-2 érintkező adott frekvenciájú hangot küld a párjának. Az érkezési idő alapján történik a kiértékelés, mely nem csupán a szélirányt, hanem a szélsebesség mérésére is alkalmas. (Az ultrahang miatt a madarak kedvenc pihenőhelye, ami a mérés pontosságát befolyásolja)

Termikus érzékelő alkalmazásakor fűtőellenállást táplálnak árammal, és a hőmérséklet változást figyeli a szél hatására. (A prezentációban termikus érzékelő is szerepel, a tartórudazat két végén) Az ilyen típusú érzékelők pontossága rosszabb, mint másoké, viszont nagyon előnyös, ahol zordabb az időjárás és egyben ( 2 in 1) hőmérséklet mérésére is alkalmas.

A szél sebességének mérésére több módszer létezik. A forgó mechanikájú kivitelnél az elektronika határozza meg a mérés módját, amely lehet digitális és áramhurkos. A digitális rendszer - optikai elven - tartalmaz egy fésüs mechanikát, mely az állandó fényt adó forrás és annak érzékelője között a szélsebességgel arányosan (frekvencia szerint) szaggatja a (fény)jelet. Leggyakrabban - ezt mutatja be a prezentáció is - a kanalas mérőrendszert alkalmazzák, ahol három félgömb forog egy közös tengelyen. A körülforulást időegységre vonatkoztatva meghatározható az átlag (közepes) szélsebesség. A közvetlen mérési módszerekhez tartozik még a lapátkerekes és a propelleres kivitel.

Aerodinamikai elven működő mérés a Pitot-cső, ahol a dinamikus helyzetű, de azonos sűrűségű gáz (levegő) közötti nyomáskülönbséget használják fel a sebesség meghatározásához. Csak az érdekesség kedvéért említem meg a hődrótos - egy ismert hőfokra melegített vezeték hőmérséklet-változásán alapuló - elvet, illetve a szélradart, ami szabályos időközönként 1-10cm hullámhosszú elektromágneses sugárzást bocsát ki, és ennek légköri visszaverődéséből számítja ki a szél sebességét.

Az eddigiekből is kiderült, hogy a szélmérés külön tudományág. A meteorológia szinte - földrajzi helytől függően - az összes módszert beveti a pontosabb értékek meghatározásához.

A szél forrása a levegő áramlása, ami a magasabb nyomású hely felől az alacsonyabb nyomású hely felé áramlik. A nyomáskülönbség kialakulásának oka a légtömegek eltérő hőmérséklete. A szél munkavégző képessége annak sebességén múlik, ami időben nem állandó, hanem változó. A köznyelv ezt szélerősségnek hívja. (A szélerősséget egy un. Beaufort-fok skálán sorolják be.) A szél energiája függ a szél sebességétől. A szél sebessége viszont sok összetevőtől függ. Elsősorban a magasságtól, a természetes tereptárgyaktól illetve a földrajzi viszonyoktól. Egy-egy szélturbina-farm telepítése előtt sok mérést kell végezni annak érdekében, hogy optimális legyen az energia befogása.

A gyártói piacon nagy a verseny. Európában a szélenergia hasznosításában első helyen lévő Dánia és Németország vezeti ezt a listát. Vagyis ahány gyártó, szinte annyiféle szélturbina létezik. (Ez persze nem teljesen fedi a valóságot, hiszen a korábban említett mérések alapján veszik figyelembe a gyártók, hogy egy-egy típus milyen átalakítás, módosítás után lehet a legjobb.) A kívánt teljesítmény tartományban - általában - a három lapátos modell a jellemző. A torony magassága 30-124m között változhat. Magának a toronynak a kialakítás egy kúpos henger, ami minden iránybó egyforma teherbírású. A munkálatokat komoly talajvizsgálat előzi meg, hogy mekkora alapot igényel a felépítendő szerkezet.

A torony acélból és betonból készül, melynek a tetejére helyezik el a gondolát. Ez utóbbi foglalja magában azokat a berendezéseket, melyek fontos szerepet játszanak a villamos energia előállításában. A szélturbinák általában önműködően végzik a munkájukat, de rendszeres karbantartást igényelnek. A létesítés helyén általában több szélturbinát ellítanak fel, mert a szélenergia teljes kapacítását egyetlen torony képtelen kiaknázni, mivel annak méretei korlátozottak.

A szélturbinák telepítése engedély-köteles. Több szakhatóság engedélyélyének beszerzése szükséges egy-egy szélerőmű farm kivitelezésének megkezdése előtt. A LINK-en olvasható PDF dokumentumban, egy 2006-ban kiadott engedély előírásait és műszaki adatait érdemes tanulmányozni.

Sajnos Magyarországon - 2014 évi adatok alapján - 2010 óta nem adtak ki engedélyt szélerőmű építésére. Léteznek érvek pro és kontra. Egy kb. egy 2MW-os szélerőmű teljes költsége egymilliárd HUF-ba kerül. Jelenleg 176 szélerőmű üzemel hazánkban. Az Európa Unióban megtermelt közel 3,1 millió GWh (gigawatt-óra) villamos-energia 10%-át szélerőművek állítják elő. Az Eurostat adatai alapján ez az energiaforrás már a negyedik a hivatalos listán (2016-os adatok) (Hőerőművek = 49% | Nukleáris erőművek = 26% | Vízenergia = 12%)

A legnagyobb arányú szélenergia hasznosító ország Dánia a maga 43% részaránnyal, de Magyarország nem sereghajtó. Öt országot is megelőzunk, mint Málta, Szlovénia. 2005 óta a legnagyobb feljödést Litvánia mutatta, ők nulláról 27%-ra emelték a szélenergia hasznosításukat a teljes villamos-energia előállításban. (Magyarországon - a moratórium miatt is - ez az arány 2%)