Alternatív energia oktatóanyagok
Szélturbina tervezése a szélenergiához
Minden megújuló szélenergia-termelő rendszer középpontjában a szélturbina áll. A szélturbina kialakítása általában egy rotorból, egy egyenáramú (DC) generátorból vagy egy váltóáramú (AC) generátorból áll, amelyet egy toronyra szerelnek magasan a föld fölé.
Hogyan tervezik tehát a szélturbinákat a villamosenergia-termeléshez? A legegyszerűbben fogalmazva a szélturbina a házi vagy asztali ventilátor ellentéte. A ventilátor a hálózati hálózatból származó villamos energiát használja fel a levegő forgatására és keringetésére, a szél előállítására. A szélturbina-konstrukciók ezzel szemben a szél erejét használják fel az áramtermeléshez. A szél mozgása megforgatja vagy elforgatja a turbina lapátjait, amelyek megragadják a szél mozgási energiáját, és ezt az energiát egy tengelyen keresztül forgó mozgássá alakítják, hogy meghajtanak egy generátort, és a képen látható módon villamos energiát termeljenek.
Típusos szélturbina generátor tervezése
A fenti képen láthatóak azok az alapvető összetevők, amelyek egy tipikus szélturbina tervezést alkotnak. A szélturbina a mozgási energiát úgy nyeri ki a szélből, hogy lelassítja a szelet, és ezt az energiát átadja a forgó tengelynek, ezért fontos a jó tervezés. A szélben rendelkezésre álló, kitermelhető energia a szélsebességtől és a forgó turbinalapátok által átfésült területtől egyaránt függ. Tehát minél nagyobb a szélsebesség vagy minél nagyobbak a rotorlapátok, annál több energiát lehet kinyerni a szélből. Tehát azt mondhatjuk, hogy a szélturbina energiatermelése a rotorlapátok és a szél közötti kölcsönhatástól függ, és ez a kölcsönhatás az, ami fontos a szélturbina tervezése szempontjából.
A kölcsönhatás javítására és ezáltal a hatékonyság növelésére kétféle szélturbina-konstrukció áll rendelkezésre. Az általános vízszintes tengelyű és a függőleges tengelyű kialakítás. A vízszintes tengelyű szélturbina kialakítása több szelet fog fel, így a teljesítmény nagyobb, mint a függőleges tengelyű szélturbina kialakításánál. A vízszintes tengelyű kialakítás hátránya, hogy a szélturbina megtámasztásához szükséges torony sokkal nagyobb, és a rotorlapátok kialakításának sokkal jobbnak kell lennie.
A függőleges tengelyű turbina vagy VAWT, könnyebben tervezhető és karbantartható, de az egyszerű rotorlapát kialakításának nagy ellenállása miatt alacsonyabb teljesítményt nyújt, mint a vízszintes tengelyű típusok. A legtöbb szélturbina, amely ma villamos energiát termel akár kereskedelmi, akár háztartási céllal, vízszintes tengelyű gép, ezért a szélturbina tervezésének ezeket a típusait fogjuk megvizsgálni ebben a szélturbina bemutatóban.
– A rotor – Ez a modern szélturbina tervezésének fő része, amely összegyűjti a szél energiáját, és forgás formájában mechanikai energiává alakítja át. A rotor két vagy több rétegelt fa-, üvegszálas vagy fém “rotorlapátból” és egy védőtengelyből áll, amely egy központi tengely körül forog (innen a neve).
A szélturbina lapátjai a repülőgépek szárnyához hasonlóan úgy működnek, hogy ívelt alakjuknak köszönhetően felhajtóerőt generálnak. A rotorlapátok a felhajtóerő elvének megfelelően a mozgó légtömegek mozgási energiájának egy részét a szélsebesség és a lapátok alakja által meghatározott mértékben vonják el. A nettó eredmény a levegő áramlási irányára merőleges felhajtóerő. Ezután a trükk az, hogy a rotorlapátot úgy kell megtervezni, hogy a rotorlapát megfelelő mennyiségű felhajtóerőt és tolóerőt hozzon létre, ami a levegő optimális lassulását eredményezi, és nem többet.
A turbinák rotorlapátjai sajnos nem fogják fel 100%-ban a szél teljes erejét, mivel ez azt jelentené, hogy a turbinalapátok mögött a levegő teljesen mozdulatlan lenne, és így nem engedné, hogy több szél haladjon át a lapátokon. A turbina rotorlapátjai által a szélenergiából kinyerhető elméleti maximális hatásfok 30 és 45% között van, ami a következő rotorlapát-változók függvénye: A rotorlapátok kialakítása, a lapátok száma, a lapátok hossza, a lapátok dőlésszöge/szöge, a lapátok alakja, a lapátok anyaga és súlya, hogy csak néhányat említsünk.
– Lapátok kialakítása – A rotorlapátok kialakítása az áramló légtömegek energiájának kinyerésére a felhajtóerő vagy a légellenállás elve alapján történik. A felhajtóerővel rendelkező lapátkialakítás ugyanazt az elvet alkalmazza, amely lehetővé teszi a repülőgépek, sárkányok és madarak repülését, a mozgás irányára merőleges felhajtóerőt létrehozva. A rotorlapát lényegében egy aerofil, vagy a repülőgépek szárnyához hasonló alakú szárny. Ahogy a lapát átvágja a levegőt, szélsebesség- és nyomáskülönbség jön létre a lapát felső és alsó felülete között.
A nyomás az alsó felületen nagyobb, és így a lapátot felfelé “emeli”, ezért ezt az erőt a lehető legnagyobbra akarjuk növelni. Ha a lapátok egy központi forgástengelyhez vannak rögzítve, mint például egy szélturbina rotorja, akkor ez a felhajtóerő forgómozgásra alakul át.
Az emelőerővel szemben egy ellenállási erő áll, amely a mozgás irányával párhuzamos, és turbulenciát okoz a lapát hátulsó éle körül, amikor az átvágja a levegőt. Ez a turbulencia fékező hatással van a lapátra, ezért ezt a légellenállási erőt a lehető legkisebbre akarjuk csökkenteni. A felhajtóerő és a légellenállás kombinációja okozza, hogy a rotor propellerként forog.
A légellenállásos kialakításokat inkább függőleges szélturbina-kialakításoknál használják, amelyek nagy csésze vagy ívelt alakú lapátokkal rendelkeznek. A szél szó szerint eltolja az útból a lapátokat, amelyek egy központi tengelyhez vannak rögzítve. A légellenállással tervezett rotorlapátok előnye a lassabb fordulatszám és a nagy nyomatékképesség, ami hasznossá teszi őket vízszivattyúzáshoz és mezőgazdasági gépek meghajtásához. A felhajtóerővel hajtott szélturbinák sokkal nagyobb fordulatszámmal rendelkeznek, mint a légellenállásos típusok, ezért jól alkalmazhatók villamosenergia-termelésre.
– Lapátok száma – A szélturbina kialakításánál a rotorlapátok számát általában az aerodinamikai hatékonyság és a költségek határozzák meg. Az ideális szélturbina sok vékony rotorlapáttal rendelkezne, de a legtöbb vízszintes tengelyű szélturbina-generátornak csak egy, két vagy három rotorlapátja van. A rotorlapátok számának három fölé emelése csak kis mértékben növeli a rotor hatásfokát, de növeli annak költségét, ezért háromnál több lapátra általában nincs szükség, de otthoni használatra kis, nagy fordulatszámú, többlapátos turbinagenerátorok állnak rendelkezésre. Általában minél kevesebb a lapátok száma, annál kevesebb anyagra van szükség a gyártás során, ami csökkenti az összköltséget és a bonyolultságot.
Az egylapátos rotoroknak van egy ellensúlyozó súlyuk a rotor ellentétes oldalán, de nagy anyagterhelést és rezgést szenvednek az egyetlen lapát nem egyenletes forgómozgása miatt, amelynek gyorsabban kell mozognia, hogy azonos mennyiségű szélenergiát nyerjen. Az egy- vagy akár kétlapátos rotorok esetében a rendelkezésre álló légmozgás és ezáltal a szélenergia nagy része a turbina sík nélküli keresztmetszetén halad át anélkül, hogy kölcsönhatásba lépne a rotorral, ami csökkenti a hatékonyságot.
A többlapátos rotorok ezzel szemben simább forgási mozgással és alacsonyabb zajszinttel rendelkeznek. A többlapátos konstrukciókkal kisebb fordulatszám és nyomaték érhető el, ami csökkenti a hajtásláncban fellépő feszültségeket, ami alacsonyabb sebességváltó- és generátorköltségeket eredményez. A sok lapátot vagy nagyon széles lapátokat tartalmazó szélturbina-konstrukciók azonban nagyon nagy erőhatásoknak lesznek kitéve nagyon erős szélben, ezért a legtöbb szélturbina-konstrukció három rotorlapátot használ.
– Páratlan vagy páros számú rotorlapát? – Az olyan szélturbina-konstrukció, amely “páros” számú rotorlapátokkal rendelkezik (2, 4 vagy 6 stb.), stabilitási problémákkal küzdhet forgás közben. Ennek az az oka, hogy minden rotorlapátnak van egy pontosan ellentétes lapátja, amely 180o -kal ellentétes irányban helyezkedik el. Ahogy a rotor forog, abban a pillanatban, amikor a legfelső lapát függőlegesen felfelé mutat (12 órás pozíció), a legalsó lapát egyenesen lefelé, a turbina tartó tornya elé mutat. Ennek eredménye az, hogy a legfelső lapát hátrafelé hajlik, mert ez kapja a legnagyobb erőt a széltől, az úgynevezett “tolóerő-terhelést”, míg az alsó lapát közvetlenül a tartó torony előtti szélmentes területre kerül.
A turbina rotorlapátjainak ez az egyenlőtlen hajlítása (a legfelső a szélbe hajlik, az alsó pedig egyenesen) minden függőleges beállításnál nem kívánt erőket fejt ki a rotorlapátokra és a rotortengelyre, mivel a két lapát forgás közben ide-oda hajlik. Egy kis méretű, merev alumínium- vagy acéllapátos turbina esetében ez nem jelenthet problémát, ellentétben a hosszabb üvegszál-erősítésű műanyag lapátokkal.
A “ODD” számú rotorlapátokkal (legalább három lapát) rendelkező szélturbinák egyenletesebben forognak, mivel a giroszkópos és hajlító erők egyenletesebben oszlanak el a lapátok között, ami növeli a turbina stabilitását. A legelterjedtebb páratlan lapátos szélturbina-konstrukció a háromlapátos turbina. A háromlapátos rotor energiahatékonysága valamivel nagyobb, mint egy hasonló méretű kétlapátos rotoré, és a további lapátok miatt lassabban tudnak forogni, ami csökkenti a kopást és a zajt.
Az egymás melletti lapátok közötti turbulencia és kölcsönhatás elkerülése érdekében a többlapátos kialakításban az egyes lapátok közötti távolságnak és a forgási sebességnek elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy az egyik lapát ne találkozzon a zavart, gyengébb légáramlással, amelyet az előző lapát okoz, amely éppen előtte halad el ugyanazon a ponton. E korlátozás miatt a legtöbb páratlan típusú szélturbina rotorján legfeljebb három lapát van, és általában lassabb sebességgel forognak.
A háromlapátos turbinák rotorjai általában jobban illeszkednek a tájba, esztétikusabbak és aerodinamikailag hatékonyabbak, mint a kétlapátos konstrukciók, ami hozzájárul ahhoz, hogy a háromlapátos szélturbinák jobban dominálnak a szélenergia-termelés piacán. Bár egyes gyártók két- és hatlapátos turbinákat is gyártanak (vitorlások számára). A páratlan (háromlapátos) rotorok további előnyei közé tartozik a simább működés, a kisebb zaj és a kevesebb madárcsapás, ami ellensúlyozza a magasabb anyagköltségek hátrányát. A zajszintet nem befolyásolja jelentősen a lapátok száma.
– Rotorlapátok hossza – Három tényező határozza meg, hogy egy szélturbina mennyi mozgási energiát tud kinyerni a szélből: “A levegő sűrűsége”, “a szél sebessége” és “a rotor területe”. A levegő sűrűsége attól függ, hogy milyen magasan vagyunk a tengerszint felett, míg a szélsebességet az időjárás szabályozza. A rotorlapátok által átfésült forgási területet azonban szabályozhatjuk a rotorlapátok hosszának növelésével, mivel a rotor mérete határozza meg, hogy a szélturbina mekkora mozgási energiát képes a szélből kinyerni.
A rotorlapátok egy központi csapágy körül forognak, amely forgás közben egy 360o -os tökéletes kört alkot, és ahogy az iskolából tudjuk, a kör területe a következő: π.r2. Tehát ahogy nő a rotor átfésült területe, úgy nő az általa lefedett terület is a sugár négyzetével. Így a turbinalapátok hosszának megduplázása négyszeres területnövekedést eredményez, ami lehetővé teszi, hogy négyszer annyi szélenergiát vegyen fel. Ez azonban jelentősen megnöveli a szélturbina méretét, súlyát és végső soron költségét.
A lapátok hosszának egyik fontos szempontja a rotor forgási csúcssebessége, amely a szögsebességből adódik. Minél hosszabb a turbinalapát hossza, annál gyorsabb a csúcs forgása adott szélsebesség mellett. Hasonlóképpen, adott rotorlapáthossz esetén minél nagyobb a szélsebesség, annál gyorsabb a forgás. Miért ne lehetne tehát olyan szélturbinát tervezni, amelynek nagyon hosszú rotorlapátjai szeles környezetben működnek, és sok ingyenes villamos energiát termelnek a szélből. A válasz az, hogy van egy pont, ahol a rotorlapátok hossza és a szél sebessége csökkenti a turbina hatásfokát. Ez az oka annak, hogy sok nagyobb szélturbina-konstrukció sokkal kisebb sebességgel forog.
A hatásfok annak függvénye, hogy adott szélsebesség mellett milyen gyorsan forog a rotor csúcsa, ami egy állandó szélsebesség-csúcs arányt eredményez, az úgynevezett “csúcssebesség-arányt” ( λ ), amely egy dimenziótlan egység, amelyet a rotor hatásfokának maximalizálására használnak. Más szóval a “csúcssebesség-arány” (TSR) a forgó lapátcsúcs fordulatszámának és a szélsebességnek a hányadosa fordulat/percben kifejezve, és egy jó szélturbina tervezése meghatározza a rotor teljesítményét a szél és a rotor sebességének bármely kombinációja esetén. Minél nagyobb ez az arány, annál gyorsabban forog a szélturbina rotorja adott szélsebesség mellett. A tengely fordulatszámát, amelyhez a rotor is rögzítve van, percenkénti fordulatszámban (rpm) adják meg, és a turbina lapátjainak csúcssebességétől és átmérőjétől függ.
A turbina fordulatszámát a következőképpen határozzák meg: rpm = szélsebesség x csúcssebesség-arány x 60 / (átmérő x π).
Ha egy turbina rotorja túl lassan forog, túl sok szelet enged át zavartalanul, és így nem nyer ki annyi energiát, amennyit tudna. Másrészt, ha a rotorlapát túl gyorsan forog, a szél számára egyetlen nagy, lapos, forgó, kör alakú korongként jelenik meg, ami nagy mennyiségű légellenállást és csúcsveszteséget okoz, ami lelassítja a rotor működését. Ezért fontos, hogy a turbina rotorjának forgási sebességét az adott szélsebességhez igazítsuk, hogy optimális hatásfokot érjünk el.
A kevesebb lapáttal rendelkező turbina rotorjai nagyobb csúcssebesség-arányoknál érik el maximális hatásfokukat, és általában az elektromos áramtermelésre tervezett háromlapátos szélturbinák csúcssebesség-aránya 6 és 8 között van, de simábban fognak működni, mivel három lapátjuk van. Másrészt a vízszivattyúzáshoz használt turbinák csúcssebesség-aránya alacsonyabb, 1,5 és 2 közötti, mivel ezeket kifejezetten alacsony fordulatszámon történő nagy nyomatéktermelésre tervezték.
– A rotorlapát dőlésszöge/szög – A szélerőművek fix kialakítású rotorlapátjai általában nem egyenesek vagy laposak, mint a repülőgépek aerofil szárnyai, hanem kis csavarodással és kúposodással rendelkeznek a csúcsuktól a gyökérig, hogy a lapát mentén a különböző forgási sebességeket lehetővé tegyék. Ez a csavarodás lehetővé teszi, hogy a lapát elnyelje a szél energiáját, amikor a szél különböző érintőleges szögekből érkezik rá, és nem csak egyenesen. Egy egyenes vagy lapos rotorlapát már nem ad felhajtóerőt, sőt meg is állhat (leállhat), ha a rotorlapátot a szél különböző szögben, úgynevezett “állásszögben” éri, különösen, ha ez az állásszög túl meredek.
Ezért, hogy a rotorlapát optimális állásszöget érjen el, ami növeli a felhajtóerőt és a hatékonyságot, a szélturbina lapátok általában a lapát teljes hosszában csavartak. Ezenkívül a szélturbina kialakításában ez a csavarás megakadályozza, hogy a rotorlapátok nagy szélsebességnél túl gyorsan forogjanak.
A villamos energia előállítására használt, nagyon nagyméretű szélturbinák esetében azonban a lapátok ilyen csavarása nagyon bonyolulttá és költségessé teheti a konstrukciót, ezért az aerodinamikai szabályozás valamilyen más formáját alkalmazzák a lapátok támadási szögének a szélirányhoz való tökéletes igazítására.
A szélturbina által termelt aerodinamikai teljesítményt a szélturbina állásszögének a szél támadási szögéhez viszonyított beállításával lehet szabályozni, amikor az egyes lapátok a hossztengelyük körül forognak. Ekkor az állásszög-szabályozással rendelkező rotorlapátok lehetnek laposabbak és egyenesebbek, de általában ezeknek a nagyméretű lapátoknak a geometriája hasonlóan csavaros, de sokkal kisebb, hogy optimalizálják a rotorlapát érintőleges terhelését.
Minden rotorlapátnak van egy, a lapát gyökerébe épített passzív vagy dinamikus forgási csavarási mechanizmusa, amely a lapát hossza mentén egyenletes inkrementális állásszög-szabályozást eredményez (állandó csavarás). A szükséges állásszög-szabályozás mértéke csak néhány fok, mivel az állásszög kis változásai drámai hatással lehetnek a leadott teljesítményre, mivel az előző bemutatóból tudjuk, hogy a szélben lévő energia arányos a szélsebesség kockájával.
A rotorlapátok állásszög-szabályozásának egyik legnagyobb előnye a szélsebesség ablakának növelése. A pozitív állásszög nagy indítónyomatékot eredményez, amikor a rotor forogni kezd, csökkentve a szélsebesség bekapcsolási sebességét. Hasonlóképpen, nagy szélsebességnél, amikor a rotor maximális sebességhatárát elérik, az állásszög szabályozható, hogy a rotor fordulatszáma ne lépje túl a határértéket a hatásfok és a támadási szög csökkentésével.
A szélturbina teljesítményszabályozása a rotorlapátok állásszög-szabályozásával érhető el, hogy a támadási szög szabályozásával csökkentsék vagy növeljék a lapátokra ható felhajtóerőt. A kisebb rotorlapátok ezt úgy érik el, hogy kis csavart építenek be a kialakításukba. A nagyobb kereskedelmi szélturbinák a lapátok dőlésszögének szabályozását vagy passzív módon, centrifugális rugók és karok segítségével (a helikopterek rotoraihoz hasonlóan), vagy aktív módon, a lapátok tengelyébe épített kis elektromotorok segítségével hajtják végre a szükséges néhány fokos elfordulást. Az állásszabályozás fő hátrányai a megbízhatóság és a költségek.
– Lapátszerkezet – a szélből kinyert mozgási energiát befolyásolja a rotorlapátok geometriája, ezért fontos az aerodinamikailag optimális lapátforma és kialakítás meghatározása. A rotorlapát aerodinamikai kialakítása mellett azonban a szerkezeti kialakítás is ugyanolyan fontos. A szerkezeti tervezés a lapátok anyagának kiválasztásából és szilárdságából áll, mivel a lapátok forgás közben a szélenergia hatására elhajlanak és meghajlanak.
A rotorlapát ideális szerkezeti anyaga nyilvánvalóan egyesítené a szükséges szerkezeti tulajdonságokat: nagy szilárdság/tömeg arány, nagy fáradási élettartam, merevség, saját rezgési frekvencia és fáradással szembeni ellenállás, valamint alacsony költség és a kívánt szárnyformára való könnyű alakíthatóság.
A lakossági alkalmazásokban használt kisebb, 100 wattos és annál nagyobb teljesítményű turbinák rotorlapátjai általában tömör faragott fából, fa rétegelt lemezekből vagy fafurnér kompozitokból, valamint alumíniumból vagy acélból készülnek. A fa rotorlapátok erősek, könnyűek, olcsók, rugalmasak és népszerűek a legtöbb barkácsolt szélturbina tervezésekor, mivel könnyen elkészíthetők. A fa rétegelt lemezek más faanyagokhoz képest alacsony szilárdsága azonban alkalmatlanná teszi őket a nagy csúcssebességgel működő, karcsú kialakítású lapátok számára.
Az alumínium lapátok szintén könnyűek, erősek és könnyen megmunkálhatók, de drágábbak, könnyen meghajlanak és a fém fáradása miatt elhasználódnak. Hasonlóképpen az acél lapátok a legolcsóbb anyagot használják, és ívelt lapkákká alakíthatók és formázhatók a kívánt aerofil profilnak megfelelően. Az acéllemezekbe azonban sokkal nehezebb csavart vinni, és a rossz fáradási tulajdonságokkal együtt – ami azt jelenti, hogy rozsdásodik – azt jelenti, hogy az acélt ritkán használják.
A nagyon nagy vízszintes tengelyű szélturbinák tervezésénél használt rotorlapátok megerősített műanyag kompozitokból készülnek, a leggyakoribb kompozitok üvegszál/poliésztergyanta, üvegszál/epoxi, üvegszál/poliészter és szénszálas kompozitokból állnak. Az üvegszálas és szénszálas kompozitok a többi anyaghoz képest lényegesen nagyobb nyomószilárdság/súly aránnyal rendelkeznek. Emellett az üvegszál könnyű, erős, olcsó, jó fáradási jellemzőkkel rendelkezik, és számos gyártási folyamatban felhasználható.
A szélerőmű mérete, típusa és felépítése az Ön által igényelt szélturbina méretétől, típusától és teljesítményigényétől függ. A kis szélturbina-konstrukciók mérete 20 watt és 50 kilowatt (kW) között mozog, a kisebb vagy “mikro” (20-500 wattos) turbinákat lakóhelyeken használják különféle alkalmazásokhoz, például elektromos áram előállításához az akkumulátorok töltéséhez és a világítás működtetéséhez.
A szélenergia a világ leggyorsabban növekvő megújuló energiaforrásai közé tartozik, mivel ez egy tiszta, széles körben elosztott energiaforrás, amely bőséges, nulla üzemanyagköltségű, kibocsátásmentes energiatermelési technológiával rendelkezik. A legtöbb ma kapható modern szélturbina-generátort úgy tervezték, hogy lakossági típusú létesítményekben telepítsék és használják őket.
Az eredményeképpen kisebb és könnyebb gyártásúak, ami lehetővé teszi, hogy gyorsan és egyszerűen közvetlenül a tetőre vagy egy rövid oszlopra vagy toronyra szereljék fel őket. Egy újabb turbinagenerátor telepítése az otthoni szélenergia-rendszer részeként lehetővé teszi, hogy csökkentse a magasabb és drágább turbinatorony fenntartásával és telepítésével járó magasabb költségek nagy részét, mint korábban a múltban.
A szélenergiáról szóló következő bemutatóban megnézzük a szélgenerátorok működését és tervezését, amelyeket az otthoni szélenergia-termelő rendszer részeként villamos energia előállítására használnak.