Ugrás a tartalomhoz

Környezettechnika

dr. Barótfi István

Mezőgazda Kiadó

1.6. Szélenergia

1.6. Szélenergia

A levegő a Föld felszínén különböző mértékben felmelegszik, és ez légmozgásokat idéz elő. A hidegebb, súlyosabb léghalmaz elindul a melegebb irányába, miközben a melegebb levegő felemelkedve tér ki a hidegebb elől. Ez a közös vonása a szélnek, szélrendszernek, amely lehet állandó, helyi és teljesen szeszélyes.

A szélenergiát az emberiség ősidőktől fogva hasznosítja. A hajózás mellett a legjellemzőbb hasznosítás módja – a középkorban is széleskörben alkalmazott – szélmalmok. A szélenergia hasznosítás virágkorát a XVII-XVIII. század jellemezte. A XIX. század első felétől az ipari forradalom hatására a gőzgépek megjelenésével visszaesett a szélkerekek, szélmalmok fejlesztése és alkalmazása. Viszonylag hosszú idő után azonban ismét teret kapott a szél, mint energiaforrás, de mostmár elsősorban villamosenergia termelésre.

Magyarországon a meteorológiai állomásokon mért átlagos szélsebességek értékei 2,5–3,5 m/s tartományba esnek. A magyarországi szélirányokat és gyakoriságaikat az 1.27. ábra mutatja. A mért értékek általában 6–10 méter magasságban értendőek. A talajszinttől ilyen magasságokban igen jelentősek lehetnek a fák és házak által képzett akadályok, amelyek a szél sebességét jelentősen módosítják. Az 1,5 m/s-nál kisebb sebességű szelek gyakorlatilag energianyerési célokra nem használhatók. Magyarországon főként az alacsony szélsebességeknél induló szélmotoroknak van létjogosultsága.

1-27. ábra - Magyarországi szélirányok és gyakoriságok

Magyarországi szélirányok és gyakoriságok


A szélmotorok a korszerű szélerőművek elődjének is tekinthetők, amelyek a földfelszín fölött fújó szél mozgási energiáját alakítják át „körforgó” mozgási energiává. Technikai kivitelüket tekintve napjainkig igen sokféle szélmotort alakítottak ki.

A szélmotorok legfontosabb része a szárnylapát. A szélnyomás hatására képződő aerodinamikai erő a lapátokat mozgásba hozza. Az így kialakuló nyomaték hozza forgásba a szélmotor tengelyét. A szélmalmoknál alkalmazott 5–15 m hosszú szárnyak vászonborítással készültek. E gépek aerodinamikai tulajdonságai rosszak, hatásfokukról alig-alig beszélhetünk A sűrű lapátozású, lassú járású szélmotoroknál enyhén konkáv profilú, főként lemezlapátokat alkalmaznak. Ezek a profilok önmagukban nem elég szilárdak, ezért a mozgó kerék vázát is képező, kör alakú fémgyűrűvel erősítik őket. Az ilyen sűrű lapátozású ún. amerikai változatú kerék átmérője a 15 métert is elérheti.

A szélmotorok lapátjaira igen szélsőséges időjárási viszonyok hatnak. El kell viselniük a por koptató hatását, az eső és a vegyi anyagok támadását, mechanikai szempontból pedig az igen erős szélviharokat. A széllökések 5-ször akkorák, mint a tervezett átlagos sebesség. Ilyen körülmények között az állványban és a rögzítő szerkezetekben fellépő feszültség 25-ször akkorák lehetnek, mint a normál üzemmel járó statikus érték, ugyanakkor a légáramban rendelkezésre álló energia 125-szörös nagyságú.

A szélmotorok forgástengelyük iránya szerint osztályozhatjuk a széláramlathoz viszonyítva:

  • vízszintes tengelyű (szembeforduló) lapátkerekek – amelyeknél a forgástengely párhuzamos széláram irányával,

  • keresztszelet felhasználó, vízszintes tengelyű lapátkereket – amelyeknél a forgástengely vízszintes a föld felületével, és

  • a széláram irányára merőleges függőleges tengelyűek.

A lapátkerék megválasztása a szélviszonyok alapján történik. A lapátkerék percenkénti fordulatszáma alapján lassú és gyors járású szélmotorokról beszélhetünk. A lassú járású (10–100/min) soklapátos motorok 1,5–10,0 m/s szélsebességek között használhatók.

A lapátkerekekhez szabályozó mechanizmusok kapcsolódnak, melyeknek kettős szerepe van:

  • a lapátkerék (lapátok) forgási sebességét állandó szinten tartják, vagy kiegyenlítik ezzel védik a lapátkereket a túlpörgéstől,

  • szélmotorhoz kapcsolt munkagép védelme. Lényegük, hogy a növekvő szélerővel szemben az aktív felületüket arányosan csökkentik.

A szélmotorok állványzatához a legkülönfélébb anyagok használhatók (fa, acél, beton stb.). Az utóbbi időben főként korrózió elleni védelem céljából horganyzott acélrácsa és csőszerkezeteket használnak. A magasabb állványoknál szívesen alkalmazzák az acélsodrony köteles merevítést. A sodronyköteles állványrögzítés anyagtakarékos és olcsóbb, mint az önhordó állvány. Hátránya, hogy területigényes és korlátozza az alkalmazható lapátkerék átmérőjét.

A szélerőműhöz a nagy „propeller”-átmérő miatt egyenszilárdságúvá kialakított, sodronyköteles, merevítés nélküli csőállványzatokat is használnak. Az állványzatok kialakításánál alapvető feltétel, hogy önfrekvenciájuk eltérő legyen a forgó lapátkerék okozta vibráció frekvenciájától.

Villámvédelmi okokból a toronyszerkezeteket a magas létesítményekre vonatkozó előírásoknak megfelelően földelni kell. A szivattyúzó szélmotoroknál a földelő vezetéket a kút vízterével célszerű összekötni, amelynek vezetéke a csőhálózat is lehet. Legelőterületeken az állványzatot biztonságtechnikai okokból kerítésselvédik.

A szélmotorokat a mezőgazdaságban főként vízszivattyúzásra, 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.

Villamosáram-termelésre néhány 100 W-os teljesítménytől 1 MW teljesítményig épitenek szélgépeket. Az utóbbi önálló szélerőműnek is tekinthető. A század elején az igen robosztus generátorokat a lábazatok mellett helyezték el, és a hajtást szöghajtóművekkel közvetítették. Az áttételi mechanizmusok kedvezőtlen hatásfoka miatt a mai gépeknél a generátorokat közvetlenül a lapátkerekek tengelyéhez kapcsolják (az oszlopok tetején.)

A leggyakoribb vízhúzás és villamosáram termelés mellett a szélmotorokat hőtermelésre, szennyvíztavak levegőztetésére valamint egyéb munkavégzésre is felhasználják.