A szélenergia a világ egyik legfontosabb megújuló energiája. Egyre gyakrabban használják, mivel képes tiszta energiát előállítani anélkül, hogy üvegházhatású gázokat termelne. Ezért elengedhetetlen annak működése, és különösen a szélturbináké. Itt részletesen bemutatjuk működésüket és főbb jellemzőiket.
A szélturbina, más néven szélturbina, az ilyen típusú energia egyik alapvető eleme. Bár általában minden turbina hasonló szempontokat mutat, a szélerőműtől vagy a telepítéstől függően különböző típusok léteznek. Ezenkívül a turbinák az első modelljeik óta fejlődtek, lehetővé téve számunkra, hogy egyre hatékonyabb módon nyerjünk energiát.
Ebben a cikkben elmondunk mindent, amit tudni kell a szélturbinákról, jellemzőikről és működésükről, valamint további részleteket a szélerőművek szerkezetéről.
Mi az a szélturbina
A szélturbina egy mechanikus eszköz, amely a szélenergiát elektromos energiává alakítja. Úgy tervezték, hogy a szél kinetikus energiáját a forgórészlapátok mozgása révén mechanikai energiává alakítsa át, amely ezt követően egy generátornak köszönhetően elektromos energiává alakul.
A szélturbinák működésének alapelve a fizika három alapvető törvényén alapul:
- A turbina által termelt energia arányos a szélsebesség négyzetével. Vagyis ha a szél sebessége megduplázódik, a megtermelt teljesítmény négyszeresére nő.
- A rendelkezésre álló energia arányos a lapátok által söpört területtel, ami azt jelenti, hogy minél nagyobbak a lapátok, annál nagyobb a felvett energia mennyisége.
- A szélturbinák maximális elméleti hatásfoka 59%, az úgynevezett Betz-határérték.
Ellentétben a régi szélmalmokkal, amelyeket közvetlen szél tolóerővel működtettek, a modern turbinák bonyolultabb aerodinamikai elveket alkalmaznak, mint például a Venturi-effektus, hogy a lehető legtöbb energiát rögzítsék.
Szélgenerátorok belseje
A szélturbina belsejében számos kulcselemet találunk, amelyek lehetővé teszik a szél mozgási energiájának elektromos árammá alakítását. A lapátokból álló rotor felelős a szél energiájának felfogásáért és a tengelye körüli forgásért.
Ezt a forgó mozgást egy erőátviteli rendszeren keresztül továbbítják az elektromos generátorhoz, amely magában foglalja a sebességváltót, amely a generátor számára megfelelő szintre növeli a forgási sebességet. A generátor a Faraday-törvényen alapul, amely kimondja, hogyan alakul át a forgási mechanikai energia elektromos energiává.
Ehhez a rendszer tartalmaz egy, a generátorhoz kapcsolt forgórészt, amely a mechanikai mozgást elektromos energiává alakítja át. A megtermelt elektromos áram közvetlenül felhasználható, vagy akkumulátorokban tárolható későbbi felhasználás céljából.
A szélturbina elemei
A szélturbina különböző elemekből áll, amelyek együttesen biztosítják a turbina optimális működését és a szélenergia hatékony elektromos árammá alakítását. Ezek a fő összetevők:
- Forgórész: A rotor az az elem, amely összegyűjti a szél energiáját. A pengékből áll, amelyek aerodinamikus kialakításuknak köszönhetően még alacsony szélsebesség mellett is forognak.
- Csatlakozási rendszer: Ez egy olyan mechanizmus, amely összeköti a lapátokat a generátor forgórészével, hogy átadja a forgási mozgást.
- Szorzó vagy sebességváltó: Ez a rendszer a forgórész forgási sebességét körülbelül 10-40 RPM-ről 1.500 RPM-re emeli, amely a generátorban szükséges az elektromos áram előállításához.
- Generátor: A generátor a mechanikai energiát elektromos árammá alakítja. A teljesítménye turbinától függően 5 kW és 10 MW között változhat a legújabb modelleknél.
- Tájékoztató motor: Lehetővé teszi a gondola és a forgórész forgását, hogy mindig az uralkodó szélirány felé nézzenek.
- Támasztóoszlop: Ez az a szerkezet, amely támogatja a generátort és a forgórészt. Minél nagyobb a turbina, annál magasabban helyezkedik el a gondola.
- Pengék és szélmérők: A szélmérők a szélsebességet mérik, míg az érzékelők lefékezik a lapátokat, ha a szél túllép bizonyos küszöbértékeket, így megakadályozzák a turbina károsodását.
A szélturbinák típusai
A szélturbináknak két fő típusa van, amelyeket a rotor tengelyének iránya különböztet meg:
- Vízszintes tengelyű turbinák: Ezeket a hagyományos szélerőművekben használják, a forgástengelyük párhuzamos a talajjal. Ez a típus a leghatékonyabb a söpört felület által felvett energia szempontjából.
- Függőleges tengelyű turbinák: Ezeknek a turbináknak az az előnyük, hogy bármilyen irányú szelet rögzítenek anélkül, hogy át kellene tájékozódniuk, bár hatékonyságuk általában alacsonyabb a vízszintes tengelyű turbinákhoz képest.
Ezen kívül vannak olyan új kialakítások, mint például a lapát nélküli szélturbinák, amelyek a széllengéseket használják ki elektromos áram előállítására, bár még fejlesztési fázisban vannak.
Szélpark üzemeltetése
A szélerőműpark több szélturbinából áll, amelyek stratégiailag elhelyezkednek, hogy a lehető legtöbbet hozhassák ki a környéken uralkodó szelekből. A turbinakészlet a megtermelt villamos energiát belső hálózaton keresztül köti össze, amely egy alállomásra szállítja, ahol a villamos energiát elosztásra alkalmas feszültséggé alakítják.
A park folyamatos működésének és hatékonyságának biztosítására olyan vezérlőrendszereket alkalmaznak, amelyek figyelik a szélsebességet, a gondolák tájolását és a turbinák állapotát. Ez lehetővé teszi az áramtermelés maximalizálását és a károk elkerülését nagyon erős szél esetén.
Ezenkívül néhány létesítmény tengeri szélturbinákat használ (offshore).
A szélenergia előnyei és hátrányai
Más energiaforrásokhoz hasonlóan a szélenergiának is vannak előnyei és hátrányai:
Előnyök:
- Ez egy energiaforrás megújítható, kimeríthetetlen és nem bocsát ki üvegházhatású gázokat.
- ez lehetővé teszi, csökkenti a függőséget fosszilis tüzelőanyagok.
- A szélerőművek különböző helyekre telepíthetők, beleértve tengeri területek és mezőgazdasági területeket anélkül, hogy azok használatának befolyásolása lenne.
- Su minimális a szénlábnyom más energiatechnológiákhoz képest.
Desventajas:
- A hatásfok a szél rendelkezésre állásától függ, ami miatt a időszakos forrás energia.
- A szélerőművek vizuális és hanghatása bizonyos területeken hátrányt jelenthet.
- A nagy turbinák hatással lehetnek a vadon élő állatokra, különösen a madarakra, ezért ezeket a tényezőket figyelembe kell venni a helyszín kiválasztásakor.
- A kezdeti telepítési költség magas, bár hosszú távon megtérül.
A szélenergia továbbra is az egyik legjobb lehetőség a fenntarthatóbb és környezetbarátabb energiatermeléshez. A folyamatos technológiai fejlődésnek köszönhetően a szélturbinák nem csak a hatékonyságot tekintve javulnak, hanem egyre hozzáférhetőbbé és kevésbé tolakodóvá válnak vizuális és hangzási szempontból is, így életképes választási lehetőséget jelentenek a globális energia jövője szempontjából.