Ugrás a tartalomhoz

Víz- és szélenergia hasznosítás

Dr. Szlivka Ferenc, Dr. Molnár Ildikó (2012)

EDUTUS Főiskola

A szélkerekek főbb típusai

A szélkerekek főbb típusai

A szélkerekeknek két főcsoportját lehet megkülönböztetni: a függőleges és a vízszintes tengelyű kerekeket. A csoportosításukhoz használjuk a már bevezetett gyorsjárati tényezőt!

A 3.9. egyenletben vezettük be a gyorsjárati tényezőt, ami megmutatja, hogy a lapát külső kerületi pontjának sebessége hányszorosa a szél sebességének. A használatos szélkerekeket e paraméter alapján sorolhatjuk be. A következő, 2.5.1. ábra mutatja a használati tartományokat. Az egyes szélkerekek teljesítménytényezőjének alakulását mutatja az ábra a gyorsjárati tényező függvényében. A legmagasabban járó görbe az ideális szélkeréké, amelynek lapátozásán nem alakulnak ki veszteségek. Ezt nem lehet megvalósítani. A Betz-féle állandót eléri kb. 7-es gyorsjárati tényezőnél. A következő legjobb görbe a (két- és) háromlapátos vízszintes tengelyű szélkerekek jelleggörbéje. A háromlapátos a legelterjedtebb szélkerékfajta. Ezek elérik a 0,5-ös teljesítménytényezőt 6−7 gyorsjárati tényező esetén. Vagyis ezeknek a szélkerekeknek a kerületi sebessége a szél 6−7 szerese. Ezek az úgynevezett gyorsjárású szélkerekek. Szintén gyorsjárásúak a Darrieus-szélkerekek, amelyek függőleges tengelyűek. Ezek is gyorsan forognak, de a hatásfokuk szerényebb, maximum kb. 0,4-es teljesítménytényező. A másik hátrányos tulajdonságuk, hogy a teljesítménytényező-görbéjük csúcsosabb, mint a háromlapátos szélkerekeké. A következő szélkerékfajta a holland négylapátos, ahol a teljesítménymaximum 2−3 gyorsjárati tényezőnél adódik, de csak 0,3 körüli maximumot ér el. Az amerikai kerék maximuma szintén 0,3 teljesítménytényező környékén van, és ezt kb. egyes gyorsjárati tényezőnél éri el. A holland és az amerikai kerekek lassú járásúak. És végül maradt a másik függőleges tengelyű szélkerék, a Savonius típusú amely szerény, 0,15 körüli maximális teljesítménytényezővel rendelkezik, és ezt 0,8−1 körüli gyorsjárati tényezőnél éri el. Ez szintén lassú járású szélkeréknek számít. Természetesen nagyon sok egyéb fajta szélkerék is létezik.

Megjegyzés:

Ez a terület a feltalálók egyik kedvence. Mi is sok különböző találmánnyal találkoztunk. Legtöbbször, ha már a szél megmozgatja a találmányt, akkor azt is képzelik, hogy az már energiatermelésre is alkalmas. Sokan pénzt és fáradtságot nem kímélve meg is építik a szerkezeteiket annak ellenére, hogy a szakemberek megpróbálják lebeszélni őket erről. A csalódás akkor szokott bekövetkezni, amikor a megépített szerkezetből a kivehető teljesítmény szinte a nullával egyenlő. Érdemes megjegyezni, hogy ha egy találmány, pl. szélkerék, forog, még egyáltalán nem biztos, hogy hatékony energiatermelő berendezés is!

Nézzük meg, hogy az egyes típusok hogyan is működnek! Próbáljuk meg megérteni, hogy mitől tudják jobban vagy kevésbé jól hasznosítani a szélben rejlő teljesítmény!

3.6.1. ábra

Nézzük meg időbeli megjelenésük sorrendjében az egyes típusokat!

A holland típusú, négylapátos szélkerék

A szélkerék vízszintes tengelyű. A szélirány változását a malom felső részének elforgatásával tudja követni a szélkerék. A szélirányba állítás kézzel történt. Ez Hollandiában nem okozott igazán nagy problémát, mert a tenger közelsége miatt a szélirány nem változott gyorsan, tehát az irányba állítást viszonylag ritkán kellett elvégezni a nálunk található kontinentális szélgenerátorokhoz képest például.

3.6.1.1. ábra

A holland típusú szélmalomnak nagyon sokféle változata van. A kezdetben viszonylag egyszerű modelleket építettek az 1600-as években. Például nem volt állítható, szélbe forgatható a malom teteje, vitorlák szöge fixen rögzített volt stb.

Az első olyan malmok, amelyek már ki tudták használni a változó szélirányt, az úgynevezett bakos malmok voltak. Ezeknél az egész építményt forgatták egy több gyámmal támasztott függőleges gerendatengely körül. Az így épített malom már könnyűszerkezetes felépítményt igényelt, mind a stabilitás, mind a kezelhetőség érdekében. A favázas tetőt deszkázták vagy fazsindelyes borítással látták el.

A szélmalmok szélbe forgatását az első változatban kézi erővel végezték. Ennek mechanizmusát a 3.6.1.2. a. és b. ábrán láthatjuk. A 3.6.1.2. b. ábra az elforgató kerék forgatását és rögzítését mutatja. A 3.6.1.2. c. ábrán egy automatikus szélbeállító pótszélkereket látunk, ami nagyon hasonlít a mai helikopterek stabilizáló rotorjához.

3.6.1.2. ábra Forrás: http://www.tem.nhl.nl/~smits/windmill.htm

Az 1700-as és 1800-as években számtalan szabadalom keletkezett, amelyek a szélmalmok egyre jobb szélkihasználását eredményezték. A javítási ötleteket, szabadalmakat általában a tengeri hajózás, a vitorlázás szülte.

A szélmalmok másik nagyon lényeges eleme a vitorla. Ez kezdetben egy rácsos szerkezet volt, amelyre vásznak feszítettek − hasonlóképpen, mint a vitorlás hajókon. A későbbiekben ezt felváltották merev vázszerkezettel. A vitorlázat kialakítása a lapátozástól függetlenül meglehetős sokszínűséget mutat. Készülhetett teljes vagy részleges deszkázással.

A zsaluleveles vitorlaszárnyak hosszirányban két, egy keskenyebb és egy szélesebb sávra osztottak. Mindkét mező zsalulevelei egymástól függetlenül állíthatók. Ez jelentette a legmagasabb szintű technikát, sőt még napjainkban is nehéz feladat fa zsalukból egy egységes aerodinamikai felületet alkotni, tekintettel arra, hogy a faszerkezet ki van téve az időjárás viszontagságainak

A szélmalomtechnikában is megjelent az automatizálás. Korán, már a XV. században alkalmaztak centrifugális szabályozású malmot. Az automatika feladata volt, hogy a hírtelen széllökés hatására megnövekvő fordulatszám káros hatásait (kőtörés, összeégés, fogtörés) kiküszöbölje. Erre többféle megoldást is alkalmaztak.

Példaként bemutatjuk a Sir William Cubitt 1813-as találmányát, a levegőféket. Ld. a 3.6.1.3. ábrán! A lapátokon belül apró lapátok helyezkednek el, amelyek szabályozták a kerék fordulatszámát, ezeket a kis lapátok farokrészén egy összekötő rúddal lehetett nyitni, csukni. A rudat súlyok szabályozták, amelyek lánccal csatlakoztak a rúdhoz. A centrifugális erő növekedése esetén (nőtt a fordulat) a kis lapátok jobban kinyíltak, ezáltal csökkentve a teljes szárny aktív felületét. A lecsökkent felület hatására csökkent a lapátokra ható erő, és a kerék forgása lelassult. Ezt nevezték levegőféknek a szélmalmokon.

3.6.1.3. ábra Forrás: http://www.geograph.org.uk/photo/2930454

Ezt a levegőféket 1860 környékén alkalmazták először Angliában.

Érdekesség még, hogy felfedezték a szélnek a magasságtól való függését is. És ki is használták azt úgy, hogy a szélkereket kicsit megdöntötték 10−15°-ban, és így nagyobb teljesítményt tudtak kivenni a szélből. A 3.6.1.4. ábra mutatja ezt a megoldást. A hátradöntés jelentős szerepet játszott a tetőszerkezet rögzítésében is. A szélből eredő erő függőleges komponense segíti a tető kötését, ami a szélerő növekedésének hatására még erősödik is. A tető védelme (lesodrása, törése) érdekében le lehet oldani a vitorlaszárakat tartó kengyeleket, és így csökkenthető az aktív felület.

3.6.1.4. ábra Forrás: http://www.geograph.org.uk/photo/2930454

A sok fejlesztés pozitívan hatott a szélmalmok fejlődésére, de a szén és az olaj mint energiahordozó megjelenése visszavetette a további fejlődésüket. A XIX. században már megjelentek a gőzzel hajtott malmok, és a szélmalmok fejlődése megállt.

A mai szélkerekektől még több lépés választotta el a szélmalmokat. Az egyik fontos lépés a szárnyak profil alakra történő gyártása. A másik a sugár mentén változó beállítási szög kialakítása. Ezek fontos áramlástani jellemzői egy mai modern szélkeréknek. Ezeket a 3.2.2.1. és 3.2.2.2. ábrákon láttuk. És még egy nagyon fontos szabályozási lehetőség hiányzott, az, hogy a lapátokat a saját tengelyük körül el lehessen fordítani, és a szél nagyágától függően lehessen szabályozni a szélkerék fordulatszámát és nyomatékát. Ez utóbbit a mai szélturbináknál Pitch controlnak nevezik. Ez a lapát szögét szabályozza a szél sebességének megfelelően.

Az amerikai típusú szélkerék

A chicagói világkiállításon (1876) egy fémszerkezetű, soklapátos, lassú járású szélerőmű vonta magára a közfigyelmet, amely vizet szivattyúzott. Habár ez a szélkerék áramlástanilag messze elmarad a tökéletestől, és vízszivattyúval való terhelése sem volt arányos a mindenkori teljesítményével, mégis gyorsan elterjedt, mert nagy lapátfelületei miatt már gyenge (2,5 m/s sebességű) szélnél is megindult. Erősebb szél sem rongálta meg, mert 7−8 m/s sebességű szélnél automatikusan oldalt fordult és ekkor síkjával állt a szél felé, úgy hogy a szél nem tehetett benne kárt (lásd 3.6.2.1. ábra!).

3.6.2.1. ábra Forrás: http://users.atw.hu/szeleromu/torteneti_attekintes.html

A szélmalmokhoz képest több fontos újítás történt az amerikai típusú szélkeréknél. A lapátjai már ívelt lapokból álltak, ami közeledés a mostani profilos lapátokhoz. A repülés korszaka azonban még nem érkezett el, ezért a szárnyprofilok sem fejlődtek még ki a technikában, csak a madarakon. Másik fontos lépés a viharvédelem megvalósítása. Ez nagymértékben meghosszabbította a szélkerék használhatóságát, és ezáltal a mérete is megnövekedhetett. A 3.6.2.1. ábra épp a beforgatott, védelmi állapotot mutatja. A nagy szél az éle felől támadja a szélkereket, tehát nem tehet benne kárt.

3.6.2.2. ábra Forrás: http://windsector.tumblr.com/post/4711554356/the-first-wind-turbine-in-america

Charles F. Brush Clevelanben építette meg az első amerikai szélgenerátort, amely áramot is szolgáltatott. 20 méter magas, 19 m átmérőjű szélkereke a lassú járású amerikai kerék. 12 KW teljesítményt szolgáltatott. Húsz éven keresztül használták, tíz évig azután is, hogy bevezették a városban az elektromos áramot. Ez volt az első automatikusan működő elektromos áramot szolgáltató szélerőmű. Egy évvel korábban Skóciában a skót akadémia épített egy szélerőművet, ami akkumulátorokat töltött.

A Savonius- és Darrieus-féle függőleges tengelyű szélkerekek

A Savonius-szélkerék az egyik legegyszerűbb áramlástechnikai elven működik. A kanalas anemométerek is ezt az elvet alkalmazzák. A félgömbnek vagy félhengernek a légellenállása nagymértékben függ a megfúvás irányától. Mielőtt a működésre rátérnénk, ejtsünk szót a testek légellenállásáról és a felhajtóerejéről.

Testek áramlási ellenállása

A körüláramlott testekre az áramlás legtöbb esetben valamilyen erőt gyakorol. A folyadék áramlásakor mindig fellép az áramlás irányával szemben ható erő, az ellenálláserő. A folyadékban fellépő ellenállást két részre oszthatjuk: a súrlódási- és nyomási-, vagy alakellenállásra. A súrlódási ellenállás a test felülete és a folyadék között ébredő csúsztatófeszültségek eredménye. A nyomás- vagy alakellenállás abból származik, hogy a súrlódás következtében a test mögött a nyomás lecsökken. Egy testre ható ellenálláserő nagysága:

A testeknek fontos jellemzője az ellenállás-tényezője. Az ellenállás-tényező egyenlő az ellenálláserő (Fe), valamint a test egy jellemző felületének (A) és a test előtt messze mérhető dinamikus nyomásnak a hányadosával, tehát

A Reynolds-szám pedig a test előtt messze mérhető zavartalan áramlás sebessége (), szorozva a test egy jellemző méretével (pl. henger esetén ez a henger átmérője, d), és osztva a közeg kinematikai viszkozitásával (v), tehát:

Mind az ellenállás-tényező, mind a Reynolds-szám dimenziótlan mennyiségek

3.6.3.1.1. ábra

A táblázat jobb oldalán látható a félgömb ellenállás-tényezője a domború oldal felől megfújva 0,34, míg a homorú oldal felől megfújva 1,33. A működése nagyon egyszerűen magyarázható ezek után. A 3.6.3.1.2. ábrán látható kanalas anemométer kerekén a szél a jobb oldali homorú gömboldalt nagyobb erővel nyomja, mint a bal oldali domborút. Emiatt elfordul az óramutató járásával ellentétesen.

A félhengerrel felszerelt Savonius-szélkerék (3.6.3.1.3. ábra) teljesen hasonló elven működik, csak az ellenállás-tényezők értéke változik meg kismértékben.

A működésből adódik, hogy a kerék kerületi sebességének kisebbnek kell lennie, mint a szél sebességének, mert ellenkező esetben a homorú oldal külső pontja már gyorsabban megy, mint a szél. Emiatt a homorú oldalon is a forgással ellentétes erő kezdene kialakulni. A 3.6.1. ábra szerint a teljesítmény maximum kb. 0,8-es gyorsjárati tényezőnél alakul ki. Sajnos a domború oldal mindig ellene dolgozik az energiatermelésnek. Ezt bizonyos típusoknál úgy csökkentik, hogy egy fallal leárnyékolják a domború visszatérő oldalt. Itt már gondoskodni kell arról, hogy a szélirány változását az árnyékoló fal kövesse. Igazából ilyenkor elvész a függőleges tengely előnye, a szélirány-érzéketlenség.

3.6.3.1.2. ábra Forrás: http://www.ivt.ntnu.no/offshore2/?page_id=394

3.6.3.1.3. ábra Forrás: http://www.ivt.ntnu.no/offshore2/?page_id=394

A Darrieus-szélkerék működésének megértéséhez a szárnyakra ható felhajtóerőt kell feleleveníteni.

Szárnyprofilra ható felhajtóerő

Az áramlásba helyezett szárnyra ható erő két komponensre bontható: a zavartalan (megfúvási) sebességre merőleges „Ff” felhajtóerőre és a megfúvással párhuzamos „Fe” ellenálláserőre. Az ellenállás-tényezőhöz hasonlóan bevezethető a szárnyra vonatkozó felhajtóerő is.

A felhajtóerő sokkal nagyobb értékű, mint az ellenálláserő a megfúvási szög () bizonyos tartományában. 0−150 (ld.: 3.6.3.2.2. ábra!). Viszont ezen a tartományon kívül az ellenálláserő a nagyobb, és a felhajtóerő gyakorlatilag megszűnik.

 

3.6.3.2.1. ábra

3.6.3.2.2. ábra

Ennyi ismétlést követően nézzük a Darrieus-szélkerék működését! Ezt a fajta szélkereket a francia Georges Jean Marie Darrieus, áramlástannal foglalkozó tudós 1931-ben fedezte fel. A jellegzetes, habverő alakú szerkezet két vagy három vékony, repülőgépszárny profilú lapátból állt. Kialakítását a 3.6.3.2.3. ábra bal oldalán látjuk. Függőleges tengely körül forog két szimmetrikus szárnyszelvény. A forgás a szél hatására következik be. Az ábra jobb oldala forgás közben mutatja a két szárnyra ható sebességeket és erőket.

3.6.3.2.3. ábra

A két lapátra berajzolt sebességi háromszögekből megkapjuk mindkét lapátra ható felhajtóerőt. A sebességi háromszögeket ugyanúgy kell megrajzolni, mint a vízturbináknál tettük. Az abszolút sebesség , a kerületi sebesség és a relatív sebesség , vektori összege . Ezeket berajzolva mind a két szárnyprofilra megkapjuk a relatív sebesség irányát. A felhajtó erre a sebességre merőlegesen ébred, mégpedig a megfúvással szembeni oldalon. A két erő ugyanabba az irányba mutató forgatónyomatékot kelt a tengelyen, ezért forog a kerék. Az ellenálláserő is fellép a szárnyszelvényeken. Ez az erő sajnos olyan nyomatékot hoz létre, amely akadályozza a kerék forgását. Ez a nyomaték szerencsére kisebb, mint amit a felhajtóerők hoznak létre.

Könnyen belátható, hogy a lapátok bármely helyzetében ébred felhajtóerő.

Ha ugyanis a szög kellően kicsi, kisebb, mint 10°, akkor mindig ébred felhajtóerő. Ugyanis akkor a 3.6.3.2.2. ábra szerint létrejön a felhajtóerő. És mivel a szárnyprofil szimmetrikus, mindegy, hogy melyik oldala felől éri a profilt a relatív sebesség, mindig ébred valamelyik irányban felhajtóerő. 10°-nál kisebb megfúvási szög akkor jön létre, ha a szélkerék gyorsan forog, ami azt jelenti, hogy a gyorsjárati tényezője nagy, . Ha kisebb a gyorsjárati tényező, akkor megnő a szög, és leválik az áramlás a lapátról, megszűnik a felhajtóerő. Ha nagyobb a , akkor pedig a felhajtóerő hatásvonala közelebb kerül a tengelyhez, és csökken a létrejövő forgatónyomaték.

Az ábrán csak két olyan helyzetet ábrázoltunk, amikor a szélsebesség és a kerületi sebesség merőlegesek. Könnyen belátható, hogy ettől eltérő helyzetekben a szög csökkenni fog a legtöbb lapátpozícióban. A legnagyobb értékét akkor veszi fel, amikor az , vagyis egyenlő szárú a háromszög. Ekkor ki is fejezhető, hogy mekkora legyen a szélsebesség és a kerületi sebesség aránya. . Ez a szinuszfüggvény tulajdonságából fakad.

Ebből kifejezve a . A 3.6.1. diagram szerint az optimális gyorsjárati tényezője a Darrieus-szélkeréknek hat felett van egy kicsivel. Ez azért adódik így, mert a szimmetrikus szárnyprofilnál a felhajtóerő-tényező (3.6.3.2.2. ábra) már kisebb szögnél éri el a maximumát, mint az ábrába rajzolt, nem szimmetrikus szárnyprofil.

A 3.6.3.2.3. ábrán az is látszik, hogy szárnyprofilokról lelépő abszolút sebesség „vki” kifelé hajlik, nagyobb keresztmetszeten áramlik át, és emiatt kicsit kisebb is, mint a belépő „v” szélsebesség. A relatív sebességet eltéríti, mintegy magához szívja a szárnyprofil, és eltéríti az irányát. Emiatt a kilépő sebességi háromszögben csökken az abszolút sebesség nagysága, és az iránya is megváltozik.

Az 1973-as olajválság idején az Egyesült Államokban is próbálkoztak a Darrieus-féle szélturbinával. Néhány prototípust építettek, azonban az üzemeltetés során nehézségek támadtak. A függőleges tengelyű szélturbina nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket, ezért kereskedelmi forgalomban nem is terjedt el.

A háromlapátos szélerőműveket a következő nagy fejezetben tárgyaljuk.