Balogh Antal okl. gépészmérnök, MBA műszaki igazgató

1. Megújuló energiaforrások „SZÉLERŐMŰVEK” 1. előadás 2010. március 12. Balogh Antal okl. gépészmérnök, MBA műszaki igazgató

2. A SZÉL EREDETE A geotermikus energia és az árapály kivételével minden megújuló energiánk forrása a Nap!A Földre a Napból 1,74 · 1017 W sugárzott teljesítmény érkezik. (3 – kilo; 6 – Mega; 9 – Giga; 12 – Tera; 15 – Peta; 18 – Exa !!!) E teljesítménynek mindössze 1 ÷ 2%-a alakul szélenergiává, de a szakemberek becslései szerint ez is kb. 15 ÷ 30-szorosa a Föld valamennyi növényzete által biomasszává konvertált (fotoszintézis útján megkötött) energiamennyiségnek!

3. ÉLTETŐ ERŐNK A NAP A Nap sugárzott energiájának átalakulása más megjelenési formákba, és az emberiség igénye: (1 kWh = 3,6 MJ)

4. GLOBÁLIS HAJTÓERŐK A hőmérséklet-különbségek a Föld felszínén erős légáramlásokat hoznak létre:A legintenzívebben besugárzott Egyenlítői térségben a légtömegek felemelkednek, és a sarkkörök felé indulnak.

5. A CORIOLIS-ERŐ SZEREPE Az expandáló légtömegek mozgását a Coriolis- erő nagyban befolyásolja:A különböző szélességi körökön eltérő uralkodó szélirányok alakulnak ki: É 90-60 60-30 30-0 D 0-30 30-60 60-90 ÉK DNy ÉK DK ÉNy DK

6. A GEOSZTRÓFIKUS SZÉL A Föld átmérője kb. 12000 km. Az atmoszféra a felszín körül nagyon „vékony”. Időjárási jelenségeink (és az üvegházhatás is!) a csupán 11 km magasságig terjedő troposzférában történnek.Az 1000 m feletti légmozgásokat (melyeket a korábban leírt globális hőmérséklet- és nyomáskülönbségek mozgatják, és igen kevéssé befolyásoltak a felszíni érdesség és domborzati viszonyoktól) geosztrófikus szeleknek nevezzük.Energetikai hasznosításra ugyanakkor csupán a felszín feletti kb. 150 ÷ 200 m magasságig terjedő légrétegek mozgásai jönnek (egyelőre) számításba, melyeket azonban a domborzat és a tereptárgyak akadályozó hatásai nagymértékben befolyásolnak!

7. LOKÁLIS SZELEK A globális és a helyi hatások elegye → bonyolult együttes rendszer.Pl.: A tengerek és szárazföldek eltérő felmelegedése nappal és éjjel, vagy akár évszakonként (lásd monszun Dél-kelet Ázsiában).Pl.: Hegyek és völgyek közti hőmérséklet- és nyomáskülönbségek generálta légmozgások a különböző tájolású domborzati egységek eltérő felmelegedése miatt (lásd Alpok, Sziklás-hegység, Andok nevezetes szelei).Egyéb híres lokális szelek pl.:Mistral → a Rhone völgyében Franciaországban.Sirokkó → a Szaharából a Földközi-tenger felé.

8. A KÁRPÁT-MEDENCE JELLEMZŐI Vajon melyek itt az uralkodó irányok?

9. A SZÉL ENERGIÁJA A szélerőgépek a légtömegek mozgási energiáját alakítják át (különböző technikai megoldásokkal) hajtó nyomatékká, hasznosítható forgási energiává.A szélből kinyerhető energia függ:- a levegő sűrűségétől,- a rotor által súrolt felülettől,- a szél sebességétől,- a hasznosító erőgép(ek) saját veszteségeitől.A fejlesztések irányát leginkább a középső kettő determinálja:- lapáthossz egyértelmű és folyamatos növelése → szerkezeti és szilárdsági korlát!- az oszlopmagasság növelése → gazdaságossági korlátok!

10. A SZÉLENERGIA FOKOZÓDÓ KIAKNÁZÁSA

11. SEBESSÉG- ÉS NYOMÁSVISZONYOK A szélerőgép akadályt képez a mozgó légtömeg útjában, ezért az „feltorlódik”, a rotor előtt a nyomás megnő, majd a gépen áthaladva hirtelen leesik.A kontinuitás és az energia-megmaradás törvénye értelmében a mozgási energiáját részben elvesztő légtömeg sebessége a rotor után kisebb kell legyen, mint előtte, kialakul az ún. „stream tube”.A rotor mögött „messze” azután ismét helyreáll a rendezett áramlás.

12. ELMÉLETI TELJESÍTMÉNY A szél elméleti teljesítménye egyenesen arányos a mozgó légtömeg sűrűségével, a haladási irányára merőleges érintett keresztmetszettel és sebességének harmadik hatványával: P = ½ ·ρ· A · v3 = ½ ·ρ· r2·π· v3 [W]

13. SZÉLMÉRÉSEK 1. A gyakorlatban nagyon fontos, hogy pontos, archivált meteorológiai adatokkal rendelkezzünk, lehetőleg a későbbi rotormagassághoz minél közelebbről!A szélsebesség mérését általában ún. kanalas anemométerrel végezzük. (Indokolt esetben elektromosan fűtött kivitelűek!)Mérjük továbbá a szél irányát és a levegő hőmérsékletét (nyomását, páratartalmát) is.Az adatokat mikrochip-re írja az adatgyűjtő rendszer, melyekből 10 perces átlagértékeket számolunk, ami szokványos és kezelhető a szakmában elterjedten használatos szélenergetikai szoftverek számára.

14. SZÉLMÉRÉSEK 2.

15. ADATGYŰJTÉS 1.

16. ADATGYŰJTÉS 2.

17. SZÉLRÓZSÁK 1. A felvett adatokat szemléletesen ábrázolják a különféle ún. szélrózsák.

18. SZÉLRÓZSÁK 2.

19. SZÉLRÓZSÁK 3.

20. SZÉLRÓZSÁK 4.

21. GÉPTELEPÍTÉSI SZEMPONTOKAZ ÉRDESSÉG 1. A felszín közelében az áramlások több okból is módosul(hat)nak. Meghatározó a domborzat és az érdesség!A felszín minőségét és a különféle tereptárgyak akadályozó hatását jellemzik az ún. érdességi osztályok és érdességi hosszok.A definíciók az Európai Szélatlasz (WAsP) szerinti megfogalmazásokat követik:Érdességi hossz: az a terepszinttől mért magassági távolság, ahol a szélsebesség elméletileg zérus.Értéke az érdességi osztálytól függően 0,0002 és 1,6 méter közötti lehet.

22. AZ ÉRDESSÉG 2. Érdességi osztályok:0 vizek felszínei0,5 nyílt terep finom felszínnel (aszfalt, legelő)1 mg-i terület kerítések és fasorok nélkül1,5 mg-i terület ritka, max. 8 m magas fasorokkal2 mg-i terület sűrűbb mezővédő fasorokkal2,5 mg-i terület sok épülettel és tereptárggyal3 falvak, kisvárosok vagy hegyi mg-i területek3,5 nagyvárosok sűrű magas épületekkel4 metropoliszok felhőkarcolókkalKülönböző érdességi osztályok esetén eltérő szélprofil alakul ki, ami nagyban befolyásolja a géptelepítést!

23. A SZÉLPROFIL A (2) érdességi osztály példája. Fontos, hogy eltérő erők támadják a lapátot a felső és az alsó holtponton!

24. A SZÉLPROFIL FORMULA A szélsebesség magasságtól való függését az ún. szélprofil képlet adja meg, mellyel egy adott magasságban ismert sebességből kiszámolható a keresett magasságban érvényes sebesség: v = vref· ln(z/z0) / ln(zref/z0)ahol:v – sebesség a felszíntől z méter magasságbanvref – ismert viszonyítási sebesség zref magasságbanz0 – érdességi hossz adott széliránybanFontos tudni, hogy a képlet semleges atmoszférikus stabilitási állapotot feltételez, azaz a földfelszín se nem fűtött se nem hűtött a környezeti levegő hőmérsékletéhez viszonyítva!

25. A HELLMANN-KÉPLET A szélsebesség magasságtól való függését a gyakorlatban sokszor egy praktikusan egyszerűsített képlettel közelítjük: vref/v = (zref/z)αahol:v – sebesség a felszíntől z méter magasságbanvref – ismert viszonyítási sebesség zref magasságbanα– Hellmann-féle szélprofil kitevőA formula rendkívül népszerű, ugyanakkor számítások végzéséhez csak kellő körültekintéssel alkalmazható!Az α értéke jellemzően 0,1 és 0,8 között ingadozik, változik napszakonként, évszakonként, érdességi osztályok, légköri stabilitási állapotok, adott magasságban a sebességek, és szélirányok szerint is!

26. A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 1. A kitevő és a szélprofil fontos kapcsolatban vannak!

27. A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 2. A kitevő értéke (több okból is) időben változó!

28. A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 3. Eloszlása van, a mérési adatokból jól modellezhető!

29. A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 4. Adott magasságban erősen sebességfüggő!

30. A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 5. A sebességfüggő az átlagostól jóval pontosabb!

31. A HELLMANN-KITEVŐ TULAJDONSÁGAI 6. A várható energiatartalmat érzékenyen befolyásolja!

32. A HELLMANN-KITEVŐ A GYAKORLATBAN Példa Mosonmagyaróvár térségére e napokban:

33. TEREPAKADÁLYOK A szél útjába kerülő akadályok (művi és természetes tereptárgyak, pl. épületek, építmények, fák, sziklák stb.) erősen csökkenthetik a szélsebességet, ráadásul általában kellemetlen turbulenciát is okozva: A hatást befolyásolja az objektum ún. porozitása is (mennyire tömör, „keresztülfújhatatlan” a tárgy).

34. A SZÉLÁRNYÉK ÉS HATÁSA A szélárnyék következménye komoly sebesség-, és hatványozott energiaveszteség: Példa: 20m magas, 60m széles, 7 emeletes irodaház, 300m távolságra az 50m oszlopmagasságú szélgéptől.

35. AZ ÖRVÉNYHATÁS A rotorlapátok a rendezett áramvonalakat örvényessé teszik (wake effect): A gép mögött az áramlás erősen turbulenssé válik. Az ebből származó aerodinamikai veszteségek mérséklése érdekében a szélerőmű parkokban a gépeket egymástól kellő távolságban kell elhelyezni! Ezt általában a rotorátmérő valamely egész számú többszörösével számszerűsítik - irányonként.

36. A PARKHATÁS A „wake loss” minimalizálása érdekében ökölszabály, hogy a gépeket a domináns szélirányban egymás mögött legalább 5 ÷ 9, míg arra merőlegesen egymás mellett legalább 3 ÷ 5 rotorátmérőnyi távolságra helyezzük el: Nyilvánvaló ellenérdekek a szélenergetikai és a területhasználati szempontok között!Az eredő energiaveszteség 10% alatt elfogadható.

37. EGYÉB TELEPÍTÉSI SZEMPONTOK - Az alagút effektus - A domb effektus - Környezet- és természetvédelmi aspektusok- Villamos hálózati csatlakozás közeli lehetősége- Közlekedés, megközelíthetőség- Geológia, geomorfológia, hidrológia- Archeológia- Tájesztétika, humán attitűd, stb.

38. SZÉLTÉRKÉPEK 1. Minőségi kép, érdemi eligazítást nem ad, de jól orientálja az egyes nyugat-európai országokat potenciáljuk értékelése, viszonyítása során.

39. SZÉLTÉRKÉPEK 2. – AZ ÚTTÖRŐ DÁNIA A telephelyek kiválasztására már közel alkalmas, kellően részletes kép, érdemi eligazítást ad.Évtizedek munkája, támaszkodva a százéves meteorológiai adatsorokra!

40. SZÉLTÉRKÉPEK 3. – A HAZAI HELYZET Több szervezet együttes kutatási munkájának eredménye. Érdemi beruházási döntéshez még tovább finomítandó!

41. AZ ENERGIATERMELÉS ELMÉLETEA WEIBULL-ELOSZLÁS A szélsebességek megoszlását az ún. Weibull-féle eloszlással lehet a legsikeresebben modellezni: A görbe alatti terület (integrál) értéke 1, hiszen annak valószínűsége, hogy a szél valamekkora sebességgel (beleértve a zérust is) fúj, 100%.E sűrűségfüggvény igen tipikusnak mondható, 7 m/sátlagos sebességű és k=2 alaktényezőjű (az ún. Rayleigh-féle speciális eloszlás esete). Figyelem, az eloszlás nem szimmetrikus! A medián 6,6 m/s (terület fele, tehát az időtartam fele)! A módusz 5,5 m/s (a leggyakoribb sebesség érték)!

42. AZ ELOSZLÁS CSAPDÁJA A Weibull-eloszlás paraméterei és a belőlük számítható jellemző értékek nem elégségesek a várható energiatermelés számításához! Ahogy az üvegek térfogata is köbösen nő a magasságukkal, a szél teljesítménye is harmadik hatvány szerint arányos a sebességgel, azaz nem átlagolhatunk egyszerűen, csakis súlyozva!(Teljesítmény szerint köbösen súlyozva az átlagos szélsebesség az előző példában 8,7 m/s!)

43. BETZ TÖRVÉNYE Albert Betz 1919-ben formalizálta a mozgó légtömeg kinetikus energiájából kinyerhető elméleti maximumot: ←Newton II. (v2/v1)opt = 1/3(P/P0)max = 0,59 = 16/27

44. TELJESÍTMÉNY-SŰRŰSÉG FÜGGVÉNY Az eddigiekben elhangzottakat összesítveaz alábbi grafikus szemléltetés adható: A = 7m/s k = 2P = 402 W/m2Sajnos igen nagy terület esik az átlagos sebességtől jobbra! Ugyanakkor a „cut in” ÷ „cut out” zónán kívül esés okozta veszteségek elviselhetőek.

45. A SZÉLTURBINA TELJESÍTMÉNYGÖRBÉJE A teljesítménygörbe tipikus alakja:Csak elméleti jelleggörbe a szélmérési hibák, a légállapot változásai és egyéb okok miatt!

46. TELJESÍTMÉNYGÖRBE A GYAKORLATBAN A teljesítménygörbe normalizált szórási sávja:A legnagyobb szórás bizony éppen a „középső” terhelés-tartományban mutatkozik! Vajon miért is?

47. A SZÉLTURBINA TELJESÍTMÉNYTÉNYEZŐJE A teljesítménytényező-függvény tipikus alakja:Gondos mérnöki tervezés szükséges, hogy ott legyen a függvénynek maximuma, amely sebesség-tartományból a legtöbb energia származtatható.A jövő iránya nem feltétlenül a hatásfokjavítás…

48. TELJESÍTMÉNYTÉNYEZŐ A GYAKORLATBAN A G90-es szélturbina Cp-függvényének alakja (H1): A mért függvényalak az adott szélklímára optimált géptípus tökéletes működését igazolja.

49. A SZÉLGÉP VÁRHATÓ ÉVES TERMELÉSE Egy tipikus, 600 kW teljesítőképességű szélturbina éves termelése a szélsebesség-eloszlástól függően: ρ = 1.225 kg/m3, normál atmoszféra.Ugyanazok a bizonytalanságok, melyek a teljesítmény-görbét is jellemezték!

50. A SZÉLERŐMŰ KIHASZNÁLÁSA Kihasználási időtartam (csúcskihasználási óraszám):tsz = Eév / PBT [h/év]ahol:- Eév A szélerőmű éves villamosenergia-termelése- PBT A szélerőmű névleges teljesítőképességeJellemző értéke 1500 ÷ 4000 h/év közötti.Kihasználási tényező (kapacitás faktor):nsz = tsz / 8760 · 100 [%]Jellemző értéke 17 ÷ 45 % közötti.A magas kapacitás faktor nem biztosan előnyös → döntés gazdaságossági elemzés alapján történik!