Hogyan működik egy szélturbina

A rendelkezésre álló szélenergia-forrásoktól függően a turbina 50–90%-kal csökkentheti az áramszámlákat, segíthet elkerülni a távoli helyekre történő elektromos vezetékek kiépítésének magas költségeit, megelőzheti az áramkimaradásokat, és ami a legfontosabb – környezetbarát.

Ebben a cikkben megismerkedünk a szélturbinák alapjaival – típusaikkal, méreteikkel, hatékonyságukkal, előnyeikkel és hátrányaikkal, működésükkel, telepítésükkel, karbantartásukkal, valamint a csúszógyűrűkkel. Minden fejezet tartalmazza a kutatások leírását és a tárgyalt témák átfogó elemzését.

A szélturbinák stabil energia- és adatátvitelt igényelnek a gépháztól a rotorlapátok vezérlő szakaszáig. A csúszógyűrűk biztosítják a hatékonyságot és a megbízhatóságot, ami a nehéz környezeti feltételek között szükséges.

A szélturbinák költséges állásideje korlátozható szénszálas kefék és tartós anyagok alkalmazásával a csúszógyűrűk építésében.

A csúszógyűrűk előnyei:

• Különböző hőmérsékleten is működhetnek
• Magas megbízhatóság jellemzi őket
• Nem igényelnek rendszeres ellenőrzést
• Nem igényelnek kenést
• Minimális kopási szennyeződést okoznak

Mi az a szélturbina?

A szélturbinák a hagyományos szélmalmok modern módosításai, amelyek a 19. században voltak népszerűek. Céljuk a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőség korlátozása és az energia megújuló, környezetbarát módon történő előállítása.

Tények a szélturbinákról

A szélturbinák a szél kinetikus energiáját használják fel, amely megmozgatja a lapátokat, forgatva egy motort, amely a kinetikus energiát mechanikus, majd elektromos energiává alakítja.

Egyszerűen fogalmazva – a turbina fordítva működik, mint egy ventilátor: ahelyett, hogy áramot használna a levegő mozgatására, a szelet használja az áramtermelésre.

A szélturbinák alkalmazásai

Az emberek évszázadok óta használják a szél erejét – a holland szélmalmoktól az amerikai farmokig, ahol vízpumpálásra és gabonadarálásra szolgáltak. Ma a modern formájuk – a szélturbina – elektromos energiát termel.

A turbinákat tornyokra építik, hogy több kinetikus energiát gyűjtsenek be. 30 méteres magasságban a szél erősebb és stabilabb. Általában egy turbinának 2–3 lapátja van, amelyek a rotort alkotják.

A lapátok úgy működnek, mint a repülőgép szárnyai – a nyomáskülönbség felettük és alattuk forgó mozgást okoz, amely hajtja a generátort.

A turbinák működhetnek önállóan (hálózattól függetlenül, off-grid) vagy csatlakoztathatók az elektromos hálózathoz. Ipari alkalmazásokban egész szélparkokat építenek, amelyek energiát szállítanak a hálózatba.

Megújuló energia a szélből

A szélenergia az egyik leggyorsabban növekvő megújuló forrás. Világszerte a beépített kapacitása 1977-ben 7,5 GW-ról 2018-ra 574 GW-ra nőtt.

2009 és 2013 között **a szélenergia-termelés megduplázódott**, 2016-ban pedig az összes megújuló energia 16%-át tette ki.

A modern turbinák 2 MW (szárazföldön) és 5–8 MW (tengeren) teljesítményt érnek el.

A szélenergia-termelést befolyásoló tényezők

A legfontosabb tényezők:

• a szél sebessége,
• a levegő sűrűsége,
• a lapátok átmérője.

Nagyobb szélsebesség = több energia. Azonban a túl erős szél károsíthatja a turbinát, ezért határértékeket (cut-in és cut-out) alkalmaznak.

A sűrűbb levegő (hidegebb, nagyobb nyomás alatt) jobb hatékonyságot biztosít.

A nagyobb lapátok több energiát fognak be, de több helyet és erősebb szeleket igényelnek.

Mi történik, ha nincs szél?

A turbinák csak akkor termelnek energiát, ha fúj a szél. Amikor a szél eláll, az energia más forrásokból származik – pl. gázból vagy vízből. Nincs olyan energiaforrás, amely szünet nélkül működne – még az atomerőművek is időnként leállnak. Ezért működik a szélenergia a legjobban a vízenergiával együttműködve.

A szélturbina fő részei

• Alapzat – összeköti a tornyot a talajjal, általában acélbetonból készül.
• Torony – a legnagyobb és legnehezebb rész (50–150 m magasságú). Minél magasabb, annál jobbak a szélviszonyok.
• Rotor – összegyűjti a szél energiáját és átadja a meghajtó rendszernek.
• Gépház (nacelle) – tartalmazza a sebességváltót, a tengelyt és a generátort. Forog, hogy a turbinát a szél irányába állítsa.

A szélturbina belseje

• Anemométer – méri a szél sebességét.
• Lapátok – a szél hatására mozognak.
• Fékek – leállítják a rotort hiba esetén.
• Vezérlő – be- és kikapcsolja a turbinát a szél sebességétől függően.
• Sebességváltó (gearbox) – növeli a forgási sebességet 30–60 ford./percről 1000–1800 ford./percre.
• Generátor – elektromos energiát termel.
• Alacsony és nagy sebességű tengely – átadja a lapátok teljesítményét a generátornak.
• Forgó rendszer (yaw) – a turbinát a szél irányába állítja.

A szélturbinák típusai, méretei és hatékonysága

Turbinatípusok

Vízszintes tengelyű (Horizontal Axis Turbines) – a leggyakoribbak, a lapátok a szél felé néznek.

• Szárazföldi (On-shore)
• Tengeri (Off-shore)
• Part menti (Near-shore)

Függőleges tengelyű (Vertical Axis Turbines) – függőleges lapátok, minden elem közel van a talajhoz.

• Darrieus (Eggbeater)
• Giromill
• Savonius
• Csavart Savonius (Twisted Savonius)

Burkolt (Ducted Turbines) – épületek szélére szerelve, a falak mentén áramló levegőt hasznosítják.

A szélturbinák méretei

A szélturbinák három fő csoportra oszthatók teljesítmény, rotorátmérő és toronymagasság tekintetében:

A háztartási turbinák teljesítménye legfeljebb 20–50 kW, rotorátmérője 1–15 méter, toronymagassága pedig 15–40 méter. Főként háztartásokban, farmokon vagy kisebb szolgáltató létesítményekben használják, ahol az elektromos energia szükséglet jelentős részét fedezhetik.

A közepes teljesítményű turbinák 50 kW és 1 MW közötti teljesítményt érnek el, rotorátmérőjük 15–50 méter, toronymagasságuk pedig 30–80 méter. Kisebb szélparkokban, ipari üzemekben és olyan területeken alkalmazzák, ahol mérsékelt szélforrások állnak rendelkezésre.

A kereskedelmi turbinákat 1 MW-tól több mint 10 MW-ig terjedő teljesítmény, 80–180 méter közötti rotorátmérő és akár 150 méteres toronymagasság jellemzi. Ezeket az egységeket nagyméretű szélparkokban – mind szárazföldön (onshore), mind tengeren (offshore) – használják, ipari méretű energiatermelésre szánva, és közvetlenül csatlakoznak az elektromos hálózathoz.

A turbinák hatékonysága

A hatékonyság a kapott energia és a rendelkezésre álló energia aránya. Az elméleti maximum a Betz-határ – 59,3%, a gyakorlatban a turbinák ennek a határnak körülbelül 80%-át érik el.

A szélturbinák előnyei és hátrányai

A vízszintes turbinák előnyei

• Stabilitás a súlypont elhelyezkedése miatt
• A lapátok állítási lehetősége (pitch control)
• Magas tornyok – hozzáférés a stabil szelekhöz

Hátrányok

• Magas szállítási és összeszerelési költségek
• Nehéz karbantartás
• Radarzavarok

A függőleges turbinák előnyei

• Olcsó karbantartás
• Könnyen összeszerelhető
• Nem igényel szélirányba állítást

Hátrányok

• Kisebb hatékonyság
• Nehéz indítás
• Csak erős szélben működnek

A burkolt turbinák előnyei

• Kicsi vizuális hatás
• Tetőre szerelés
• Helyben történő energiatermelés

Hátrányok

• Csak magas épületekhez
• Precíz előzetes tanulmányokat igényelnek

Hogyan működnek a szélturbinák

1.A szél megmozgatja a lapátokat.

2.A lapátok hajtják a tengelyt és a sebességváltót.

3.A sebességváltó növeli a forgási sebességet.

4.A generátor a mechanikus energiát elektromos energiává alakítja.

5.Az anemométer és a szélkakas figyeli a feltételeket.

6.A forgó rendszer a turbinát a szél irányába állítja.

7.Az energia a transzformátorhoz, majd a hálózathoz kerül.

A szélturbinák telepítése

A telepítés lépései:

1. Az alapzat előkészítése

2. Kábelárkok ásása

3. A torony építése és a turbina összeszerelése

4. Kábelezés és az inverter csatlakoztatása

5. Hálózati csatlakozás

6. Záró tesztek és üzembe helyezés

A turbinák karbantartása

A rendszeres kenés meghosszabbítja az alkatrészek élettartamát.

A modern automatikus kenőrendszerek csökkentik a költségeket és a meghibásodás kockázatát.

A szélturbinák jövője

A szélenergia az egyik legígéretesebb forrás a CO₂-kibocsátás csökkentésére.

Különösen dinamikusan fejlődik a tengeri turbinák (offshore) energiája.

Kutatások folynak kis, hordozható turbinákról a háztartások számára.

Összegzés

A szélenergia tiszta és megújuló forrás, amely a modern technológia és a csökkenő költségek révén egyre népszerűbbé válik.

Egyes kihívások (pl. madárütközések, zaj, vizuális hatás) ellenére az olyan innovációk, mint a lapát nélküli turbinák, képesek ezeket leküzdeni.

Az olyan elemek, mint a csúszógyűrűk, kulcsszerepet játszanak a szélturbinák megbízható működésében, és a megfelelő választásuk jelentősen befolyásolja az egész rendszer tartósságát és hatékonyságát.