Szélkerekek működésének elmélet alapja

Szélkerék

A szélenergia megújuló energiafajta, amelynek termelése környezetvédelmi és költségelőnyei miatt rohamos ütemben nő a világban, főleg Európában.


2006-ban a szélerőt felhasználó generátorok 74 223 megawattóra energiát termeltek világszerte, mely még mindig kevesebb, mint a világ áramfelhasználásának 1%-a. A szélerőművek azonban a Harvard Egyetem kutatóinak számítása szerint 1,3 millió terawattóra áramot is tudnának termelni, ami bőségesen elláthatná a világ lakosságát, mivel a világ áramfogyasztása 2006-ban csak 15666 terawattóra volt: a megadott potenciál mindössze 1,2 százaléka.[1]

A szélenergia kitermelésének modern formája a szélturbina lapátjainak forgási energiáját alakítja át elektromos árammá. Ennél sokkal öregebb technológia a szélmalom, amelyben a szélenergia csak mechanikus szerkezetet működtetett és fizikai munkát végzett, mint a gabonaőrlés, vagy a vízpumpálás.

A szélturbinákat ma már ipari méretekben, nagy csoportokban is felhasználják szélfarmjaikon a nagy áramtermelők, de nem ritkák a kis egyedi turbinákat működtető telepek sem, amelyeknek különösen olyan környezetben veszik nagy hasznát, amelyek távol vannak a nagyfeszültségű elektromos hálózattól, ezért költséges lenne a felhasználás helyéig kiépíteni a vezetékeket.

Szélfarm Neuenkirchenben (Németország).

Szélfarm Neuenkirchenben (Németország).

 

Tartalomjegyzék

  • 1 Gazdaságosság
  • 2 A szél energiája
  • 3 Európa és Magyarország
  • 4 Szélenergetika a világon
  • 5 Technológia

 

Gazdaságosság

 

Az utóbbi években jelentősen csökkent a szélenergia előállításának ára, de még nem olcsóbb, mint a más módokon előállított áram ára (25 Ft/kWh, az átlag 14.16 Ft/kWh-val szemben).[2] 2005-ben a szélenergia előállítása egyötödébe került az 1990-es évek vége költségeinek, és ez a trend a gazdaságos nagy turbinák tömegtermelésével várhatóan folytatódik. A szélenergia termelése gyorsan nő, 2012-ig becslések szerint az előző szint két és félszeresét érheti el.[3]

 

A szél energiája

 

A Nap Földet elérő energiájának 1-3%-a alakul szélenergiává. Ez 50-100-szor nagyobb mennyiség, mint amennyit a Föld teljes növényvilága konvertál a fotoszintézisen keresztül. E szélenergia jórésze nagy magasságokban található, ahol a szél folyamatos sebessége meghaladhatja a 160 km/órát. A súrlódáson keresztül a szélenergia szétoszlik a Föld atmoszférájában és felszínén.

A szél abból keletkezik, hogy a Földet forgása következtében egyenetlenül éri a Nap hője. A pólusok kevesebb energiát kapnak, mint az egyenlítői régiók, a szárazföld gyorsabban melegszik fel és hűl le, mint a tengerek. A hőmérsékleti különbségek a földfelszíntől a sztratoszféráig terjedő rétegekben globális légáramlási rendszert tartanak mozgásban.

A szelek mozgását egy sor egyéb tényező is komplikálja, mint az évszakok vagy a nappal és éjszaka váltakozása, a Coriolis-erő, a föld és a víz fényvisszaverő képességének, a nedvességtartalomnak és a szélsúrlódásnak az egyenetlenségei.

 

Európa és Magyarország

Szélfarm Koppenhága közelében
A víz felett gyakran erősen és folyamatosan fúj a szél, mivel nem ütközik akadályokba. A Koppenhága közelében lévő szélfarmnak ezek a nagy, lassan mozgó turbinái az enyhe, de állandó szelekből merítenek erőt.
Szélerőmű Csehországban
Szélerőmű 2007. április 8-án készült a fotó Csehországban. A horizont felett jól látható a barna színű, sűrűsödő légszennyeződés, ami máshol keletkezik
szélfarm Indiában
Szélfarm (Muppandal, Tamilnadu, India)

Európa beépített szélenergia teljesítményét 2008-ban Németország vezette: 23 903 megawatt volt az elméleti maximum teljesítmény (ha minden szélerőmű működne teljes kapacitáson jele MWp vagy kWp) , Dániában 21,3%-át, az EU-27 átlagában pedig az összes áramfelhasználás 3,8 százalékát a szél fedezte.[4] Európában a második Spanyolország 16 740 megawatt beépítített teljesítménnyel. A kontinensen mindenki más jelentősen le van maradva ezen a téren a két listavezető mögött. Olaszország 3736 MW; Franciaország 3404 MW; Nagy-Britannia 3241 MW; Dánia 3180 MW; Portugália 2862 MW; Svédország 1021 MW; Ausztria 995 MW .

Általában elmondható, hogy a volt keleti blokk tagjai ezen a téren jelentős elmaradásban vannak, de dinamikus növekedés várható. Szlovéniában a 2008-as év végéig egyáltalán nem tartanak számon országos hálózatra termelő szélerőművet. Romániában 10 megawatt, Szlovákiában 3 MW, Svájcban 12 MW, Horvátországban 18 MW, Litvániában pedig 55,5 megawatt, Magyarországon 127 megawatt kapacitást tartottak számon. A régió országai közül azonban Lengyelország 472 MW, Törökország 422 MW, Bulgária 158 MW, Csehország 150 MW beépített teljesítményével mind megelőzi Magyarországot.[5]

Európa legtöbb országában és az Európai Unióban a megújuló energiafajták, köztük főképp a szélenergia hasznosítását kiemelt feladatnak tekintik.

Magyarországon a következő másfél évre a nagy áramszolgáltató vállalatok 1687 megawatt új kapacitás létesítését szeretnék, a legtöbbet az ÉDÁSZ, a folyamatot azonban szabályozási viták nehezítik.[6][7] Általában az ország adottságait nem tekintik nagyon jónak ehhez az iparághoz, mivel az átlagos szélsebességek viszonylag alacsonyak.

Az országban szélerőmű működik például Kulcson,[8] Újrónafőn,[9] Vépen, Várpalotán és Szápáron.[10]

 

Szélenergetika a világban

 

 

A szélturbinák sorozatgyártása 1979-ben, Dániában kezdődött. Az első gyárak, a Kuriant,a Vestas, a Nordtank és a Bonus megalapozták a modern szélenergia-ipart. Ezek a korai turbinák sokkal kisebb teljesítményűek voltak (20-30 kW), mint a mostaniak.

Manapság már több országban gyártanak szélturbinákat, és több ezer turbina üzemel világszerte. Jelenleg az összteljesítményük 93,8 GW, 2007-ben 19,7 GW-tal növekedett a teljes kapacitás (2008. február).[11] 2006-ban a teljes teljesítmény kb. 65%-át Európában állították elő.

2000. és 2006. között megnégyszereződött az így termelt villamosenergia mennyisége. A szélerőművek 81%-a az Amerikai Egyesült Államokban és Európában van, de az új telepítések megoszlása az első öt ország között 2004-ben 71%, 2006-ban 62% volt.

2007-ben a legnagyobb szélenergia-kapacitással Németország, Spanyolország, az Amerikai Egyesült Államok, India és Dánia rendelkezett (lásd a táblázatot). A legtöbb új szélerőművet az USA (5216 MW), Spanyolország (3515 MW) és Kína (3313 MW) helyezte üzembe 2007-ben.[12]

A Nemzetközi Szélenergia Egyesület (World Wind Energy Association) szerint 2010-re 170 GW-ra fog emelkedni a szélenergia kitermelés.

Dánia energiaszükséglete közel egyötödét szélerőművekkel fedezi, ami a legmagasabb arány világszerte. Élen jár a szélturbinák gyártásban és használatban egyaránt, és arra törekednek, hogy ezt az arányt 50%-ra növeljék.

Az utóbbi években az Amerikai Egyesült Államok táplálta be rendszerébe a legtöbb szélenergiát, kapacitásuk 45%-kal, 16,8 GW-ra nőtt (2007). Texas állam Kaliforniát megelőzve, a legnagyobb termelővé lépett elő. 2007-ben 2 GW-tal akarták emelni jelenlegi kb. 4,5 GW-os teljesítményüket.

Iowa és Minnesota 2007. végére 1 GW-os termelést várt. Az USA szélenergia termelése 2006. február és 2007. február között 31,8%-kal növekedett. A szélerőművekben előállított 1 MW villamos energia, 250 átlagos amerikai háztartás ellátásához elegendő. Az Amerikai Szélenergia Egyesület (American Wind Energy Association) szerint 2008-ban az USA teljes energiaszükségletének 1%-át (kb. 4,5 millió háztartás) szélenergiából fedezi, ami 1999-ben még alig 0,1% volt. Az Amerikai Energia Hivatal (U.S. Department of Energy) tanulmánya szerint három állam, vagy a tengerre telepített (offshore) szélfarmok elegendő szélenergiát termelhetnének az egész ország számára.

India negyedik a legnagyobb szélenergia-kapacitással rendelkező országok között 6270 MW-os termelésével, 2006-ban. A világ összes energia-termelésének 3%-át India állítja elő. 2006. novemberében Delhiben tartották a Nemzetközi Szélenergia Konferenciát (The World Wind Energy Conference), ami új lökést adott az indiai szélenergia-ipar fejlődésének. A Muppandal melletti szélfarm egy nagyon szegény falut lát el energiával. Az indiai Suzlon Energy a világ legnagyobb szélturbina gyártója.

 

Teljes szélenergiakapacitás
(MW, évvégi adat)[13][14]
RangNemzet20052006Utolsó
1 Németország 18 415 20 622 21 283
2 Spanyolország 10 028 11 615 12 801
3 Egyesült Államok 9 149 11 603 12 634
4 India 4 430 6 270 7 113
5 Dánia 3 136 3 140  
6 Kína 1 260 2 604 2 956
7 Olaszország 1 718 2 123  
8 Egyesült Királyság 1 332 1 963 2 186
9 Portugália 1 022 1 716 1 874
10 Franciaország 757 1 567  
11 Hollandia 1 219 1 560  
12 Kanada 683 1 459 1 588
13 Japán 1 061 1 394  
14 Ausztria 819 965  
15 Ausztrália 708 817  
16 Görögország 573 746 753
17 Írország 496 745  
18 Svédország 510 572  
19 Norvégia 267 314  
20 Brazília 29 237  
21 Egyiptom 145 230 580
22 Belgium 167 193  
23 Tajvan 104 188  
24 Dél-Korea 98 173  
25 Új-Zéland 169 171  
26 Lengyelország 83 153 216
27 Marokkó 64 124  
28 Mexikó 3 88  
29 Finnország 82 86  
30 Ukrajna 77 86  
31 Costa Rica 71 74  
32 Magyarország 18 61  
33 Litvánia 6 55  
34 Törökország 20 51  
35 Csehország 28 50  
36 Irán 23 48  
  Európa többi része 129 163  
  Amerika többi része 109 109  
  Ázsia többi része 38 38  
  Afrika és a Közel-Kelet többi része 31 31  
  Óceánia többi része 12 12  
  A Föld összes termelése 59 091 MW 74 223 MW
 
 

Technológia

 

 

Alapvetően két féle megoldás terjedt el a világban:

  • vízszintes tengelyű (horizontális tengelyű szélturbina, HAWT)
  • függőleges tengelyű (vertikális tengelyű szélturbina, VAWT)

Hazánkban a leghagyományosabb kivitelek a szélmalmok: a vízszintes tengelyűek terjedtek el. Később a vízszivattyúk esetében is ez a kivitel terjedt el a legjobban. Az ok, hogy ezeknek jó az önstartjuk, és jó hatásfokkal képesek üzemelni kis és nagy szélsebességek esetén is. Nem véletlen, hogy a modern szélerőművek áramvonalas lapátait is vízszintes tengelyekre szerelik.

A vízszintes tengelyű kivitelnek egy hátránya van a függőlegeshez képest: örvénylő (turbulens) áramlásban csak a tengellyel párhuzamosan érkező levegőrészeket képes jó hatásfokkal hasznosítani. Ilyenből pedig légörvények között kevés van.

A függőleges tengely előnye, hogy a beépített környezetre jellemző légörvényeket jól tudja hasznosítani. A hőskorában vitorlavásznak képezték a lapátait, amibe bele tudott kapni a szél (pl. vízszivattyúhoz). Ezek a lapátok forgás közben azonban mindig csak egy irányban haladnak a széliránnyal párhuzamosan, az ellenkező irányban egy a saját forgása ellen ható erő lép fel. Ezért fejlesztették ki a modern kivitelű, szárny profillal készített Darrieus típusú (habverő alakú) szélkerekeket. Ezek a legjobb hatásfokú szélkerekek, mert kicsi az ellenállásuk. A kis ellenállási felület azonban rossz önstartot is eredményez. Áramlástani modellekkel kimutatható, hogy a csigaház forma (Savonius típus) képes a legjobb önstartra. Függőleges tengely esetén a legjobb önstartot és hatásfokot a két forma ötvözetével (hibrid Hi-VAWT) lehet elérni. Háztartási kiserőműhöz ezért a hibrid típusú függőleges tengelyű szélerőműveket tudjuk javasolni.

 

szélerőművek adatai