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

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!

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

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.

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

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!

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.

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

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!

A SZÉLENERGIA FOKOZÓDÓ KIAKNÁZÁSA

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.

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]

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.

SZÉLMÉRÉSEK 2.

ADATGYŰJTÉS 1.

ADATGYŰJTÉS 2.

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

SZÉLRÓZSÁK 2.

SZÉLRÓZSÁK 3.

SZÉLRÓZSÁK 4.

GÉPTELEPÍTÉSI SZEMPONTOK AZ 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.

AZ ÉRDESSÉG 2. Érdességi osztályok: 0 vizek felszínei 0,5 nyílt terep finom felszínnel (aszfalt, legelő) 1 mg-i terület kerítések és fasorok nélkül 1,5 mg-i terület ritka, max. 8 m magas fasorokkal 2 mg-i terület sűrűbb mezővédő fasorokkal 2,5 mg-i terület sok épülettel és tereptárggyal 3 falvak, kisvárosok vagy hegyi mg-i területek 3,5 nagyvárosok sűrű magas épületekkel 4 metropoliszok felhőkarcolókkal Különböző érdességi osztályok esetén eltérő szélprofil alakul ki, ami nagyban befolyásolja a géptelepítést!

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

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 magasságban vref – ismert viszonyítási sebesség zref magasságban z0 – érdességi hossz adott szélirányban Fontos tudni, hogy a képlet semleges atmoszférikus stabilitási állapotot feltételez, azaz a földfelszín se nem fűtött se nem hűtött a környezeti levegő hőmérsékletéhez viszonyítva!

A HELLMANN-KÉPLET A szélsebesség magasságtól való függését a gyakorlatban sokszor egy praktikusan egyszerűsített képlettel közelítjük: vref/v = (zref/z)α ahol: v – sebesség a felszíntől z méter magasságban vref – ismert viszonyítási sebesség zref magasságban α – Hellmann-féle szélprofil kitevő A 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!

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

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

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

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

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

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

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

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).

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.

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.

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.

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.

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

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

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

AZ ENERGIATERMELÉS ELMÉLETE A 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/s átlagos 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)!

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!)

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

TELJESÍTMÉNY-SŰRŰSÉG FÜGGVÉNY Az eddigiekben elhangzottakat összesítve az alábbi grafikus szemléltetés adható: A = 7m/s k = 2 P = 402 W/m2 Sajnos igen nagy terület esik az átlagos sebességtől jobbra! Ugyanakkor a „cut in” ÷ „cut out” zónán kívül esés okozta veszteségek elviselhetőek.

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

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

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…

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

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!

A SZÉLERŐMŰ KIHASZNÁLÁSA Kihasználási időtartam (csúcskihasználási óraszám): tsz = Eév / PBT [h/év] ahol: - Eév A szélerőmű éves villamosenergia-termelése - PBT A szélerőmű névleges teljesítőképessége Jellemző 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!

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET. Kapcsolat: MOV-R H1 Szélerőmű Kft KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! Kapcsolat: MOV-R H1 Szélerőmű Kft. Balogh Antal műszaki igazgató Cím: 9023 Győr, Körkemence u.8., II/37. Tel./Fax: 06 96 618 633 Mobil: 06 30 557 1947 Email: balogh@energych.hu