Technika, 1979 (23. évfolyam, 1-12. szám)
1979-01-01 / 1. szám
2 A SZÉLERŐGÉPEK JÖVŐJE (Folytatás az 1. oldalról.) két. A szélerőgépeknél tehát a szél sebességenergiája közvetlenül alakul át forgó mozgássá, amely szivattyút, dinamót stb. működtet. A szél által kifejtett erő arányos a mozgatott levegő tömegével és a szélsebesség négyzetével. Minél nagyobb a szél sebessége, annál nagyobb a szélerőgép teljesítménye. A villamos energia történetében az elmúlt száz évben két olyan időszakot találunk, amikor az emberek behatóan foglalkoztak a szélenergia elektromos árammá való átalakításának technikai és gazdaságossági kérdéseivel. Az egyik ilyen időszak az elmúlt évszázad végére esilt, amikor is a rohamos ipari fejlődés közepette az ember rádöbbent, hogy Földünk szénkészletei nem kimeríthetelenek. A másik időszak néhány évvel ezelőtt kezdődött az olajválság kirobbanásakor. Az Egyesült Államok nyugati vidékein 15130 táján alakult ki a szélmalom-ipar, elsősorban a farmok kiszolgálására. A szélmalmok különféle gépeket működtettek és elektromos áramot is termeltek. A szélerőgépek a farmok energia ellátásában jelentős szerepet töltöttek be. Európában a francia Duc de Febtre világító torony mellé épített egy szélmalmot 1887-ben. A dinamót egy 12 m átmérőjű négyvitorlás kerék hajtotta a torony akkumulátorainak feltöltésére. Az akkori közvélemény ezt az újítást kissé furcsásbbá, pedig a szélmalom ilyennemű felhasználása igen ötletes volt. A világítótorony jelentős tengerrészen látta el feladatát. A századforduló idején a hollandok mellett a dánok és a svédek végeztek beható kísérleteket villamosáram-termeléssel, szélkerekek segítségével. Ezeket a kísérleteket sok terv és kevés megvalósítás jellemezte. A Szovjetunióban 30-as években indultak meg a szél-villanyerőművel kapcsolatos kísérletek. A balaklavai szélerőmű 1933-ban kezdett üzemelni. Ezt az erőművet évi 280 000 kWh teljesítményre tervezték. A konstrukció sikerült, de sajnos az erőmű a szeszélyes széljárás miatt nem váltotta be a hozzáfűzött reményeket. Egyébként a 30-as években a világon több mint 100 nagyvállalat foglalkozott szélerőművek fejlesztésével. Az Egyesült Államokban pl. a Delco, a Dura, az Air Elektric, a Wind Power stb. üzemelt. Iowa államban 1936-tól kezdve a Dyna Teck gyár évente 1000 szélgenerátort gyártott 200 ... 2500 W teljesítményhez. A szélkerekes generátorok farmokat láttak el villamos árammal. A villamos áramot termelő szélerőgépek fejlesztésének új korszaka a 60-as években kezdődött. Ezt a folyamatot a 70-es évek elején kitört olajválság gyorsította meg. A szélenergia a napenergiához hasonlóan természetadta energia A szélerőgépek új hulláma forrás, amelynek igen nagy előnye, hogy nem szennyezi az ember környezetét. Mindkét energiaforrásnak azonban van hátránya is: ha nem süt a nap, nem fúj a szél, nincs áramtermelés. Erős szél esetén 1 m területre kb. 1 kW teljesítménnyel számolnak; hasonló az arány a napenergiánál is. Egy naperőműnél azonban a tükrök elhelyezési területének jóformán nincs felső határa. A szélgenerátor azonbanegy mechanikai szerkezet, itt a méret és a súly már lényeges tényező. Az 1000 kW-os szélerőmű már igen nagy teljesítményű. Hosszú árbocra kell szerelni a lapátokat és a kivitelezők általában nem lelkesednek az ilyen óriási árbocok szereléséért. Az ember mégis szeretné „kifogni a szelet” áramtermelés céljára, ezért újabb technikai eljárásokat hív segítségül. A 60-as években néha fantasztikus méretű szélerőművek születtek meg papíron. Az egyik terv szerint a szélerőművet kihorgonyzott óriási léghajók segítségével emelték volna fel 12 ezer m magasba. A hatalmas propellerek itt a magaslégköri széláramlások régiójában termelték volna az elektromos áramot. Ez a terv természetesen soha nem került kivitelezésre. Az 50-es évek végén helyezték üzembe Franciaországban a Nogent-le-Roi-i szélerőművet. A 800 kW teljesítményű szélgenerátor három csavar lapátja, — egy 32 m magas oszlopon — termelte az áramot. Hátránya volt, hogy a generátor csak akkor adta a normális teljesítményt, ha a szélsebesség elérte a 60 km h-t. Az erőmű automatikája 17 m/s szélsebesség alatt leállította az üzemek Az erőmű nem váltotta be a hozzáfűzött reményeket; az erőmű szélkereke 1958 és 1960 között mindössze 171 órát forgott és 16 730 kWh-t adott a francia hálózatnak, 1961- ben már 4000 órát üzemelt és 63 000 kWh -t szolgáltatott. Végülis 1958 és 1962 között összesen 5400 órát működött a szélerőmű. Ez idő alatt a szélturbina lapátjai hibátlanok maradtak, de más alkatrészeik tönkrementek, és ezért használatát le kellett állítani. Claytonban (USA) 1978 januárjában kezdett el üzemelni egy villamos szélerőmű, amely lapátos forgórészének átmérője 42 m, villamos teljesítménye pedig 200 kW volt. Európában a svéd Saab-Scania gyár mérnökei tervezték azt a kísérleti szélerőművet, amely ma már villamos áramot szolgáltat a svéd hálózat számára. A szélturbina 18 m átmérőjű csavarlapátjai egy 25 m magas toronyra szerelve forognak. A szélerőmű 36 km h szélsebességnél 63 kW-ot szolgáltat. A kivitelezés során könnyűfémszerkezeteket alkalmaztak. Ez a szerény teljesítményű szélerőmű előfutára egy állami támogatás mellett építendő óriási erőműnek, amelynek elméleti maximális teljesítményét 6000 kW-ban határozták meg. Ekkora teljesítményt 100 m átmérőjű lapátos forgórésztől lehet elvárni. A jelek szerint a svédek is beleestek egyes amerikai vállalatok (Boeing) gigantomániákus elképzeléseibe. A hagyományos formájú, 100 m átmérőjű propeller óriási méret. Az ilyen méretű lapátok aerodinamikai hátrányokat is magukon viselnek, nem beszélve arról, hogy a tornyot is igen magasra kell építeni, amely megnöveli a szélerőmű költségeit és bonyolítja az építés technikáját. Milyen irányzatok figyelhetők meg a jövő szélerőművének tervezésénél? A jelek szerint visszatérnek az ókori perzsa módszerhez, tehát a függőleges tengelyhez. Másrészről a merev lapátok helyett, könnyű, hajlékony anyagból készült forgórészeket terveznek. A francia Darrieus mérnök még a két világháború között 1925-ben szabadalmi kérelmet gyújtott be egy függőleges tengelyű szélerőgépre. Most az amerikai és az európai szakirodalomban egyre gyakrabban találkozunk Darrieus nevével és egyúttal a függőleges tengelyű megoldással. A szélerőművek fejlesztésének históriáját érdekes összehasonlítani a vitorlás hajózás fejlődésének történetével. Tengereken és tavakon, ritkábban a folyamokon évezredek óta úsznak a vitorlás hajók. Kérdés, hogy amennyiben a hajók vitorlázata a repülőgépek propellerjeihez és szárnyaihoz hasonlóan merev anyagból készültek volna, visszatekinthetne-e a vitorlázás több ezeréves múltra? Bizonyos, hogy nem. Az sem vélelen, hogy a vízszintes tengelyű szélmalmok vitorlái hosszú évszázadokon keresztül puha anyagból készültek. A vászonanyagoknak ezen a téren aerodinamikai előnyei vannak, éppen úgy, mint a duzzadó hajóvitorláknak. Ilyen meggondolás alapján fejlesztették ki a princetoni egyetem kutatói a könynyű, laza anyagból készült szélturbina lapátrendszert. A lapát könnyű volt, jól alkalmazkodott a szélirányhoz és erősséghez, de aerodinamikai szempontból még mindig magán viselte a hagyományos propellerforma hátrányait. Ennél a megoldásnál is tovább lépett a francia Lagarde mérnök, aki szakítva a propeller formával a hajlékony és könnyű lapátokat egy függőlegesen forgó tengely alsó- és felső végéhez hajlítva rögzítette. A szuper könnyű forgó lapátok be- és kilépő élei duralumínium-vázas szerkezetek. A köztes részt könnyű és rugalmas poliuretán habbal töltötték ki, majd a lapátok teljes felületét polietilén réteggel burkolták. Az így készült lapátok több előnyt mutatnak a hagyományos merev és nehéz propellerekkel szemben. A lapátok rugalmasságuknál fogva alkalmazkodnak a szél irányához és erősségéhez. A lapát anyaga viszont nem annyira puha, mint egy hajóvitorla, üresjáratban „nem csattog”. Olcsóbb, könnyebben szerelhető és jobb hatásfokkal dolgozik a Lagarde-féle turbinalapát, mint a hagyományos szilárd anyagú rotor. Franciaországban napjainkban már működik egy 2 m magasságú Darrieus rendszerű mini szélerőmű, amelynek generátora csak néhány kW-ot termel, de bizonyítja a függőleges tengely körül forgó lapátok hatékonyságát. A Darrieus rendszerű szélerőgépek esetében több lapátot lehet alkalmazni több szinten. Pl. egy 30 m átmérőjű Darrieus erőmű esetében a munkát végző lapátokat három emeleten lehet elhelyezni. A vertikális tengely körül forgó lapátok nagyobb teljesítményt adnak le, mint a hagyományos két- vagy háromágú rotorral működő erőművek teljesítménye. Egy 100 m lapátátmérőjű Darrieus-féle szélgenerátor várható maximális teljesítménye 10 MW. Amennyiben ezt az értéket összehasonlítjuk egy 100 m átmérőjű hagyományos propeller alakú vízszintes tengelyes szélerőgép teljesítményével, úgy azt látjuk, hogy az utóbbitól csak 2 ... 4 MW várható. Hozzá kell tenni, hogy a hagyományos propelleres megoldásnál a 100 m lapát átmérő már egy gigantikus méret. A Darriens rendszernél elméletben túl lehet, lépni a 100 méteres átmérőt, bár erre vonatkozóan aerodinamikai számításokat még nem végeztek. A Darrieus rendszernél tehát a szélerőmű lapátméreteit jobban lehetne növelni és nem kell megállni a bűvös 100 m-es átmérőnél. Egy további előny a lapátok forgási sebességének szabályozásában mutatkozik meg. A hagyományos propeller lapát erős szélben gyorsan eléri maximális fordulatszámát, túlpörög és ha ilyenkor generátorral nem fékezik le, darabokra törhet. A Darrieus rendszernél a forgási szabályozásra nincs szükség, mert a hajlékony lapátok alkalmazkodva a szél sebességéhez önfékezést végeznek forgás közben. A Darrieus rendszerű szélerőgép lapátjainak gyártása olcsóbb is és meghibásodás esetén könnyebben cserélhetők, mint a hagyományos lapátok. Földünk szeles vidékeinek energia ellátását a nagyobb teljesítményű szélerőművek biztosíthatják a jövőben. Egy kisebb város, település áramellátását egy 10 000 kW csúcsteljesítményű szélerőmű biztosítani tudná. Sajnos egy kérdőjel marad a mondat végén, mi van akkor, ha nem fúj a szél? Amerikai vélemények szerint a szélenergia értékelésekor mindig abból kell kiindulni, hogy egyes szélturbinák a szélcsendben állnak. Tehát a turbinákat rendszerbe kell állítani, valahol mindig fúj a szél jelszóval. A szélturbina hálózatnak tehát nagyobb földrajzi területet kell befognia. Célszerű, ha a jövőben a szélturbina hálózatot hagyományos elven működő villamos energia termelő berendezésekkel egészítik ki, így akkor is van áramtermelés, ha nem fúj a szél. Napjainkban az ember igyekszik behozni lemaradását a szélerőművek fejlesztése területén. Kétségtelen az is, hogy ellentmondások és gazdasági nehézségek jellemzik a szélenergia kihasználását célzó tevékenységet világszerte. A széljárás szeszélyes volta is fékezi az ember erőfeszítéseit e téren. Mégis remélhető, hogy Földünk széljárta vidékein a jövőben is be fog válni ez a módszer és az ember tiszta és viszonylag olcsó energiához jut majd a széljárás jóvoltából. Endresz István Villamos áram szélenergiából Hajlékony lapátok 2. ábra: A Nogent-le-Roi-i szélerőmű 1958-ban készült el. A forgórész és a torony összsúlya 160 t3. ábra: A Saab—Scania svéd konszern szélerőgépe. A 25 m magas betonoszlopon forgó lapátok átmérője 18 m 4. ábra: Ez a Darricus szekptor Hollandiában, Schiphol-ban működik. A két lapát üvegszálerősítésű műanyagból készült. Súlyuk mindössze 45 kg 5. ábra: A Darricus rendszer lapátjait több szinten lehet elhelyezni TECHNIKA 1979.