4. fejezet - Szélenergia

Tartalom

4.1. A szélenergia hasznosításának elméleti alapjai
4.1.1. A rendelkezésre álló és a kinyerhető szélteljesítmény becslése
4.1.2. A teljesítménytényező
4.1.3. A nyomatéktényező és a gyorsjárási tényező
4.1.4. A teljesítménygörbe
4.1.5. Az energiatermelés becslése
4.2. Szélenergia-hasznosítás a nagyvilágban
4.3. A szélenergia hasznosításának lehetőségei hazánkban
4.3.1. A hazai szélenergia-kutatás legfontosabb mozzanatai
4.3.2. Hazánk szélklímája
4.3.3. A szélmező modellezése
4.3.4. Problémák és kilátások

Az elmúlt évszázadok során nemcsak a Föld lakóinak száma nőtt robbanásszerűen, hanem ezzel párhuzamosan az egy főre jutó felhasznált energia és a légkörbe juttatott szennyező anyagok mennyisége is nagy ütemben emelkedett (Sørensen, 2000). Az emberi tevékenység – így például a fosszilis tüzelőanyagként felhasznált szén, olaj és földgáz elégetése, az erdőirtások és műtrágyázás egyre intenzívebbé válása – befolyásolja a Föld éghajlatának alakulását. A nemzetközi tudományos közélet napjainkra már elfogadta, hogy az éghajlati rendszer antropogén eredetű változása a jövőben olyan skálán is jelentkezhet, mely már közvetlenül érinti a globális gazdasági rendszert, az emberi társadalmat. Így a hagyományos energiakészletek csökkenésével és a légkör szén-dioxid tartalmának jelentős növekedésével napjainkban egyre nagyobb szerephez jutnak a megújuló energiaforrások. E lehetséges alternatív energiaforrások egyike a szél.

Sok évszázados hagyománya van Magyarországon a szélenergia hasznosításának, s még az 1950-es évek elején is közel 800 szélmalom üzemelt hazánkban. A több évtizeden át zuhanó, majd ismét meredeken emelkedő energiaárak és a sokkoló olajválság hatására az 1970-es években világszerte minden addigit meghaladó mértékű technológiai fejlesztések indultak be, melyek azóta is töretlenül folynak. Hazánkban csak két évtizedes késéssel, az 1990-es években kezdődtek meg a szélpotenciál-mező új szempontok alapján történő feltérképezését szolgáló kutatások.

4.1. A szélenergia hasznosításának elméleti alapjai

Ebben a fejezetben a szélenergetikai vizsgálatokhoz nélkülözhetetlen alapfogalmakat definiáljuk, s a szélenergetikai számításokhoz felhasznált elméleti összefüggéseket, módszereket ismertetjük.

4.1.1. A rendelkezésre álló és a kinyerhető szélteljesítmény becslése

A szélenergia hasznosítása a légkör kinetikus energiájának közvetlen felhasználását vagy elektromos energiává történő átalakítását jelenti. Egy m tömegű, v sebességgel mozgó légtömeg kinetikus energiája (E):

(4.1)

Felhasználva a sűrűség (ρ) és az időegység alatt a rotor által súrolt felületen (F) áthaladó levegő térfogatának (F·v) definícióját, az egységnyi idő alatt rendelkezésre álló szélteljesítmény az alábbi formában írható:

(4.2)

A mozgó levegő rendelkezésre álló szélteljesítményének ismeretében felmerül a kérdés, hogy valójában ennek mekkora hányada nyerhető ki ténylegesen. A turbinán áthaladó légtömeg energiája csak részben hasznosítható, melyet a rotor két oldalán létrejövő sebességkülönbségeknek megfelelő energiamennyiség definiál. A kinyerhető szélteljesítmény becsléséhez két feltétel teljesülése szükséges. Egyrészt, a levegő összenyomhatatlan, amely megközelítőleg igaz, ha a szélsebesség kisebb, mint 100 m s-1. Másrészt, az átalakító rendszeren nem történik aerodinamikai vagy mechanikai veszteség, azaz ideális átalakító rendszerrel van dolgunk (Molly, 1990; Gasch, 1991; Hau, 1996).

A 4.1. ábrán egy idealizált szélturbina környezetében kialakuló áramlási mező szerkezetét mutatjuk be (Gasch, 1991). Az ábra jelöléseit használva, a kinyerhető szélteljesítmény mennyisége

(4.3)

alakban írható, ahol P1, P2 és P3 rendre a rotor előtt, a rotor vonalában és a rotor mögött rendelkezésre álló szélteljesítményt jelöli, F1v1 és F3v3 pedig a rotor felületén áthaladó légtömeg térfogatát a rotor előtt és mögött. Az összenyomhatatlan gáz kontinuitási egyenletét

(4.4)

felhasználva a kinyerhető szélteljesítmény az alábbiak szerint írható fel:

(4.5)

ahol azonban F1 értéke ismeretlen.

Idealizált szélturbina körüli áramlási mező

4.1. ábra: Idealizált szélturbina körüli áramlási mező (Gasch, 1991 nyomán).

A fenti egyenlet átalakítását Newton III. törvénye alapján végezhetjük el: a rotorra ható erő megegyezik azzal az erőhatással, amit a rotor fejt ki a mozgó légtömegre (Molly, 1990). Így a kinyerhető szélteljesítmény:

(4.6)

ahol:

(4.7)

A (4.5), (4.6) és (4.7) egyenletek felhasználásával:

(4.8)

mely összefüggést Froude-Rankine elméletként említ a szakirodalom (Gasch, 1991). A kinyerhető szélteljesítmény pedig a (4.4) összefüggés alapján az alábbi formában írható fel:

(4.9)

4.1.2. A teljesítménytényező

A kinyerhető szélteljesítmény nagymértékben függ az alkalmazott turbina tulajdonságaitól, az ún. teljesítménytényező (cp) értékétől (Justus, 1985), melyet a kinyerhető és a rendelkezésre álló szélteljesítmény hányadosaként definiálhatunk:

(4.10)

ahol x = v3/v1. A teljesítménytényező maximális értéke cpmax = 0,5926 (4.2. ábra), azaz a rendelkezésre álló szélteljesítmény legalább 40%-a mindenképpen elvész. Ezt az értéket Betz-limitként említi a szakirodalom (Justus, 1985; Sørensen, 2000), amelyet egyetlen szélenergia-átalakító rendszer sem képes felülmúlni. Az elvileg elérhető maximális hatásfok akkor alakul ki, ha a rotor előtti szél sebessége a gépen áthaladva harmadára csökken.

A teljesítménytényező értéke a rotor mögött és előtt kialakuló szélsebességek hányadosánakfüggvényében

4.2. ábra: A teljesítménytényező (cp) értéke a rotor mögött és előtt kialakuló szélsebességek hányadosának(x = v3/v1) függvényében (forrás: Hau, 1996).

4.1.3. A nyomatéktényező és a gyorsjárási tényező

A szélturbinák hasznosítható nyomatéka (M) az alábbi formában definiálható:

(4.11)

ahol cm a nyomatéktényező, R pedig a lapát sugara.

A lapátkerék fontos üzemeltetési jellemzője a gyorsjárási tényező (λ), amely a lapátkerekek kerületi sebességének (uk) és a szélsebességnek a hányadosa:

(4.12)

A gyorsjárási tényező a teljesítménytényező és a nyomatéktényező hányadosaként is megadható:

(4.13)

λ ≤ 3,5 esetén lassú járású, míg λ > 3,5 esetén gyorsjárású szélturbináról beszélünk (Hunyár et al., 2001). A lassú járású rendszerek általában kisebb teljesítménytényezővel rendelkeznek, mint a gyorsjárásúak. Mivel indítónyomatékuk azonos, alacsony szélsebességnél jobban terhelhetők.

4.1.4. A teljesítménygörbe

Egy szélerőmű energiatermelésének becsléséhez a teljesítménygörbét használják, mely a rendelkezésre álló szélteljesítmény szélsebességtől és más meteorológiai paraméterektől való függését mutatja (4.3. ábra).

Egy átlagos szélerőmű teljesítménygörbéje

4.3. ábra: Egy átlagos szélerőmű teljesítménygörbéje

Abban az esetben, ha a mozgó légtömeg hatására a szélenergia átalakító rendszerben nem jön létre gyorsulás, a kinyerhető szélteljesítmény zérus. Mivel a forgással szemben a szélturbina természetes ellenállással rendelkezik, a rendszer csak egy jól definiált szélsebesség (küszöbérték) elérésekor kezd forgó mozgásba. Ez az ún. bekapcsolási vagy indulási sebesség, melynek értéke általában 3–5 m s-1 közé esik. A növekedő szélsebességgel a hálózatra kapcsolt szélerőművek leadott teljesítménye a legerősebb emelkedést az átlagos szélsebesség 1,4–2,0-szeresénél mutatja (Hau, 1996). A teljesítmény növekedési üteme ezután lelassul. Maximális értékét (a névleges teljesítményt) az ún. névleges szélsebesség elérésekor veszi fel a görbe, melynek tipikus értéke lassú járású rendszerek esetén 10–13 m s-1, gyorsjárású rendszereknél 14–17 m s-1 (Dobesch és Kury, 1999). A névleges teljesítmény elérése után a leadott teljesítményt a vezérlőrendszer határozza meg, hogy megelőzze a generátor túlterhelését, az áttétel esetleges sérülését. A tovább növekvő szélsebességgel a rendszer megközelítőleg a névleges teljesítményértéken marad. Az ún. leállási sebesség elérésekor a forgómozgás leáll, megakadályozva ezzel a lapátok és a torony mechanikai sérüléseit. A leállási sebesség értéke a legtöbb hálózatra termelő erőmű esetén 25 m s-1. A lassú járású rendszerek gyakran nem rendelkeznek leállási sebességgel, mivel a lapát lassabb kerületi sebessége miatt a rendszer leállítása csak kismértékű csökkenést okoz a sok lapátból álló rotorra ható tolóerőben.

A leállás természetesen veszteséget okoz az energiatermelésben, azonban a 25 m s-1-nál nagyobb átlagos sebességértékek előfordulása rendkívül ritka. Továbbá, a magasabb szélsebességeknek is ellenálló tornyok és turbinák építésének többletköltségei jelentősen meghaladják a lehetséges többlettermelés nyereségét.

4.1.5. Az energiatermelés becslése

A tervezett telepítés helyszínén mért széladatok felhasználásával becsülhető a leendő szélerőmű által T idő alatt termelt energia (ET) mennyisége:

(4.14)

melyet a (4.2) és (4.10) egyenletek felhasználásával az alábbi alakban írhatunk:

(4.15)

ahol:

(4.16)

a teljesítménygörbe, ρrel a relatív sűrűség, TA pedig a gyakorlati hasznosíthatóságot jellemző konstans, amelynek leggyakrabban használt értéke 0,95 (Dobesch és Kury, 1999). Az energiatermelés számításához szükség van mind a PN(v) teljesítménygörbe, mind pedig a széladatok f(v) valószínűségi sűrűségfüggvényének ismeretére, melyet a mért széladatok relatív gyakoriságával becsülhetünk. Szélenergetikai vizsgálatokhoz legáltalánosabban elfogadott a Gamma-függvények családjába tartozó Weibull-eloszlás. A kétparaméteres Weibull-eloszlás f(v) sűrűségfüggvénye az alábbi módon írható:

(4.17)

ahol az A és a k paramétert rendre skála-, illetve alakparaméternek nevezik. Az alakparaméter (k) értékétől függően három speciális esetet különböztetünk meg:

  1. ha k = 1, akkor az exponenciális,

  2. ha k = 2, akkor a Rayleigh,

  3. ha k = 3,5, akkor megközelítőleg a normál eloszlást kapjuk.

A k értéke általában 1,5 és 3 közé esik, ezért gyakran Rayleigh-eloszlással közelítik a széladatok gyakorisági eloszlását. Inhomogén terep esetén azonban az alakparaméter értéke 1,3 és 1,8 közé esik (Dobesch és Kury, 1999). Így azonos átlagsebességet tekintve az energiatermelés becsült értéke meghaladja a Rayleigh-eloszlással számított értéket.

A Weibull-eloszlás egyik tulajdonsága, hogy ha v szélsebesség A és k paraméterű Weibull-eloszlással jellemezhető, akkor vm szintén Weibull-eloszlású Am és k/m paraméterekkel (Troen és Petersen, 1989). A skála- és az alakparaméter ismeretében a széladatok μ(v) átlaga, (v) szórásnégyzete, valamint az átlagos teljesítmény (P) a Γ függvény felhasználásával számítható:

(4.18)

(4.19)

(4.20)

Optimális esetben a legnagyobb hatékonyságot az:

(4.21)

sebességnél veszi fel a rendszer, mely általában az átlagos szélsebesség 1,4–2-szeresével egyenlő (Troen és Petersen, 1989).