Szélerőművek: típusok, kivitelek, előnyei

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 10:30

A szélenergia korántsem új energiaellátási ág, azonban a jelenlegi körülmények között egyre hangsúlyosabbá válik egy ígéretes továbbfejlesztési irány. A szélgenerátorok műszaki megvalósításának univerzális koncepcióiról még mindig nehéz beszélni, de az egyedi mérnöki megoldások alkalmazásának előrehaladása azt sugallja, hogy a közeljövőben egyetlen egységes szerkezeti modell jelenik meg. Ugyanakkor többféle szélturbinát használnak a világon, amelyek mindegyikének megvan a maga erőssége.

A szélturbinák általános működési elve

A legtöbb modern alternatív energiaforráshoz hasonlóan a szélturbina is a természetes folyamat eredményeként fellépő erő hatására működik. Az egyenetlen fűtésből eredő széláramlásokról beszélünka föld felszínét a nap. Szinte minden szélturbina a következő elv szerint működik: a levegőáramok egy speciális, lapátokkal ellátott tengelyen forgatják a kereket, így továbbítják a nyomatékot a generátorhoz vagy az akkumulátorcsomaghoz. A stabilitás és a megfelelő légmozgási erő mellett a villamosenergia-termelő szélmalmok 45-50% hatásfokot képesek biztosítani. Pontosan a szél változékonysága és erőssége határozza meg a szélturbinák sokféle kialakítását, amelyeket szintén az adott éghajlati felhasználási viszonyok alapján számítanak ki.

Melyek a szélturbinák fő előnyei?

A szélturbinák hatásfokának értékelése történhet mind a hagyományos energiaforrásokkal összehasonlítva, mind a megújuló, ingyenes erőforrásokkal működő generátorok hátterében. Az ilyen rendszerek legszembetűnőbb előnyei, amelyek reményt adnak a jövőbeni sikeres fejlődésükhöz, a következő tényezők:

• Maga a szélenergia nemcsak megújuló, hanem felhalmozható és feldolgozható is.
• Gazdasági haszon. A konkrét gazdasági mutatókra vonatkozó egyértelmű értékelések még nem tudhatók be az eltérő teljesítménnyel működő rendszerek sokféleségéből. De beszélhetünk az egyes projektek által mutatott kiemelkedő eredményekről. Például mennyibe kerül egy kilowatt áram egy nagy tengeri szélmalomból? 2-12 rubel tartományról beszélhetünk. 1 kWh-ért.
• Környezetbarát. A szélturbinák működése nem rendelkezik káros hatásokróllégszennyezőanyag-kibocsátás.
• Kompakt. A szélturbina telepítése még ipari formában sem hasonlítható össze a hagyományos erőművekkel. Ez nagyrészt az ilyen rendszerek autonómiájának és a kiegészítő kommunikációtól és erőforrásoktól való függetlenségének köszönhető.

Vízszintes tengelygenerátorok

Az ilyen szélmalmok tervezési sémája előírja az elektromos generátor, a sebességváltó, a lapátok és a keretes torony jelenlétét. A lapátok konfigurációja úgy van megvalósítva, hogy a levegő a tölcsérbe áramlik, ami torziós nyomatékot hoz létre. Az ilyen villamosenergia-termelő szélmalmok működésének fontos feltétele az áramlások mozgásának jellemzőihez (irány és erő) való alkalmazkodás képessége. Ehhez a szerkezeteket a lapátok földfelszínhez viszonyított elfordítására és billentésére szolgáló mechanizmusokkal látják el. A legfejlettebb modellekben automatikus vezérlésű vezérlőket is használnak. Ami a szélkerék megvalósítását illeti, a háromlapátos konfigurációt gyakrabban használják vízszintes sémákban. Sőt, a generátorok teljesítményének növelése érdekében a mérnökök hajlamosak megnövelni a funkcionális befogadó rész méretét, ami például megmagyarázza azt a jelenlegi tendenciát, hogy a szerkezetek gyártása során a műanyagról és a könnyűfémekről a drága kompozit elemekre térnek át.

Függőleges tengelyes generátorok

Az ilyen generátorok jelentős előnnyel rendelkeznek a vízszintes szerkezetekkel szemben,amely abból áll, hogy nincs szükség további eszközökre a létesítmény felügyeletéhez és vezérléséhez. Vagyis működés közben a függőleges tengelyű szélmalom semmilyen módon nem igazodik az áramlások mozgásához. Ez a légtömegekkel való kölcsönhatás egyidejűleg csökkenti a szélgenerátor lapátjaiban lévő feszültséget és csökkenti a giroszkópos terhelést. Az üzem motorját képező hajtóműves generátor a szerkezeti torony tövében károsodás vagy meghibásodás veszélye nélkül elhelyezhető. De a leírt előnyök mellett a függőleges telepítés miért nem váltotta fel a teljesen vízszintes szélmalmokat? Sajnos ezeknek a modelleknek jelentős hátrányai is vannak. Mivel a szélkereket nem a szél áramlása irányítja, és mindig az energiaelnyelési tartományok szűk tartományában működik, a generátor teljesítménye logikusan csökken. Ezért a függőleges szélmalmok megfelelő teljesítményének fenntartásához nagy területeket lefedő tömeges használatukra van szükség, ami nem mindig lehetséges.

Dizájnok a Darrieus rotoron alapulnak

A függőleges járókerekes szélturbina-generátorok a Savonius vagy Darrieus rotor kialakításán alapulnak. De ennek a csoportnak is megvannak a maga variációi és modern módosításai. A legígéretesebb fejlesztés a közelmúltban a Gorlov helikoid turbina, amelyet 2001-ben készítettek. Ez egyfajta folytatása a Darrieus rotor koncepciónak, de optimalizáltabb formában. A spirális függőleges pengék lehetővé teszik az energia előállítását vízből és levegőből minimális aktivitással. Ma ezek a generátorokspeciális szélerőművekben és vízerőművek részeként egyaránt használják.

Szélgenerátorok fluxuserősítővel

Valamilyen módon a szélmalmok klasszikus kialakításának folytatása is, de igazodva a jelenlegi high-tech működési feltételekhez. Az áramláserősítőkkel végzett módosításokat egy vagy több ereszcsatorna jelenléte különbözteti meg, amelyek a levegőáramlás koncentrálására szolgálnak. Az aerodinamikus kúp alakú elemek ugyanazon ereszcsatornák formájában nagy területen gyűjtik össze az áramlásokat, egy irányba irányítva azokat, és ezáltal növelve a lapátrendszer sebességét. A fluxuserősítővel ellátott szélturbinák alkalmazásának nehézsége, hogy további elemcsoport alkalmazását igényli. Ezen túlmenően az ilyen rendszerekben csak a segédenergia-források csatlakoztatásával lehet jelentős termelékenységnövekedést elérni, ami gazdaságilag nem mindig indokolt.

Fokozat nélküli szélturbinák

A szerkezeti optimalizálás ötletével összhangban megjelent a szélerőmű váltó nélküli változata is. Ehelyett egy gyűrű alakú csatornát használnak, amely belső fémrúddal van ellátva. Ez a gyűrű a rotor pereme köré van felszerelve. Itt található egy mágnescsoport is, amelyek kölcsönhatásba lépnek egy fémrúddal, ezáltal hozzájárulnak az áramtermeléshez. A körülbelül 200 cm-es forgórész átmérőjű, sebességváltó nélküli szélturbinák teljesítménye elérheti az 1500 kWh-tévben. Ennek a kialakításnak a fő előnye a sebességváltóval ellátott generátorok működése során természetesen fellépő energiaveszteségek csökkentése. De ezért az előnyért sebességkorlátozással kell fizetni. Ahhoz, hogy az egység optimális munkafolyamatba lépjen, legalább 2 m/s áramlási sebesség szükséges.

Az ipari szélturbinák jellemzői

Az ipari szélmalmok két alapvető különbséggel rendelkeznek: nagy méret és nagy teljesítmény. Az ilyen típusú állomások előnyei és hátrányai egyaránt ezekből a tulajdonságokból fakadnak. A szerkezetről elég annyit mondani, hogy a modern ipari szélmalmok magassága elérheti a 150-200 m-t, a lapátok fesztávolsága pedig meghaladhatja a 100 m-t. A nagy teljesítmény megköveteli a funkcionális infrastruktúra összetettségét is. Tehát az energiaátalakítás folyamatának szabályozására szélgenerátor-vezérlőket használnak, amelyek biztosítják, hogy az akkumulátorcsomag aktuális töltöttségét figyelembe vegyék. Ezen túlmenően az ilyen berendezések elektromos tömítése invertereket és rövidzárlatvédelmi rendszereket tartalmaz.

A háztartási szélturbinák jellemzői

A legegyszerűbb szélmalmok nem csak otthon használhatók, hanem kézzel is összeszerelhetők. Általában ezek kis méretű, legfeljebb 10 m magas létesítmények, amelyek 0,5-5 kW teljesítményen képesek működni. Passzív energiaforrásként háztartási gépekhezvagy az elektromos készülékek egyes csoportjai, ez a lehetőség indokolja magát. A kompakt szélturbinákat azonban manapság nagy számban használják a nagyvállalatok termelő létesítmények áramellátására. A mini-szélmalomparkok alapján kellően termelékeny és megbízható rendszerek jönnek létre, amelyek felveszik a versenyt a nagy teljesítményű egygenerátorokkal.

A tengeri szélturbinák jellemzői

Az ilyen típusú szélmalmok népszerűsége számos előnynek köszönhető a szárazföldi állomásokkal szemben. Ez elsősorban a stabilabb munkakörülményekről szól, mivel a szél áramlását nem akadályozza a parttól távol. Ugyanakkor a tengeri szélturbinák szerkezeteit két csoportra osztják - támasztó és úszó. Az elsőket sekély vízbe telepítik, klasszikus támasztékkal a víz alatti talajba. Az úszó állomásoknak saját úszó platformjuk van horgonyokkal és egyéb tengeri eszközökkel történő rögzítéssel.

Szélturbina szerkezetek és épületvázak kombinációja

Van egy nagyon ígéretes szélmalmok csoportja is, amelyek szó szerint a sokemeletes épületek házába vannak beépítve. Ennek a megoldásnak két előnye van - kedvező feltételek az áramlások "fogadásához", valamint a villamos energia szállítási útvonalának csökkentése, mivel a végső ellátási forrás általában az épületen belüli fogyasztók. Jelenleg az ilyen típusú szélturbinák integrálása gyakrabban történikspeciális aerodinamikus hengerek, amelyeket a felhőkarcolók tetejére szerelnek fel. Kidolgozás alatt van a mini propellerek koncepciója is, amelyek egy magas építkezés bármely pontján elhelyezhetők. Az eszközök szó szerint a falakba vannak beépítve, majd az általános áramellátó rendszerre csatlakoznak, kis, de stabil energiát adva ki.

Következtetés

Az elmúlt években a szélturbinák iránti érdeklődés jelentősen megnőtt Oroszországban. A 30-50 MW teljesítményig terjedő nagy állomásokat időszakosan helyezik üzembe különböző régiókban. Hazánk számára a szélmalmok különösen hasznosak, mert lehetővé teszik olyan távoli régiók energiaellátását, ahol jelenleg nincs lehetőség más energiaellátás megszervezésére. A kis szélerőművek szegmense is aktívan fejlődik. Oroszországban nagyon népszerűvé váltak az 1-5 kW teljesítményű egyedi energiaellátó rendszerek. Ugyanakkor a fejlesztők nem tagadják meg a szélmalmok és a belső égésű motorok működési elveinek kombinálását. Az ebben az irányban elért sikereket különösen a szél-dízel kivitelek mutatják. Továbbra is nehéz megmondani, hogy a következő évtizedekben mekkora lesz a kereslet a szélenergia iránt Oroszországban, hiszen a hagyományos energiaforrások pozíciói továbbra is erősek. De az alternatív energiákra való átállás tendenciái világszerte valószínűleg arra sarkallják az orosz ipart, hogy aktívan vizsgálja meg ezeket a területeket.