Alternatív energia. Szélmotorok, szélgenerátorok

ELŐSZÓ 13

BEVEZETÉS 17

l. TÖRTENETI ÁTTEKINTÉS ( Tóth László) 21

1.1. A szélről általában 21
1.2. A szélben rejlő energia átalakítása 22
1.3. A vízszintes tengelyű szélmotorok 24
1.4. A hanyatlás okai a századfordulón 28
1.5. Fejlesztések 28
1.6. Erőmű méretű egységek 31
1.7. Fejlesztések az energiakrízist követően 33
1.8. Fejlesztések az 1980-as évektől 35
1.9. A jövő kilátásai 41

2. A SZÉLERŐMŰVEK RENDSZEREZÉSE, SZERKEZETI FELÉPITÉSE (Tóth László) 43

2.1. A szélerőművek jellemzése 43

2.1.1. Energiatermelés szerint 43
2.1.2. Szerkezettani osztályozás 44

2.2. Szélmotorok a szivattyúk hajtására 49
2.3. Szélgenerátorok 55

2.3.1. A teljesítmény szerinti felosztás 55
2.3.2. Szélgenerátorok szerkezeti felépítése (Tóth László- Schrempf Norbert) 57

2.3.2.1. Generátorház 57
2.3.2.2. Szárnylapát 64
2.3.2.3. A lapátkerékagy és a Pitch mechanizmus 67
2.3.2.4. A tartószerkezetek 69
2.3.2.5. A főtengely és a csapágy 69
2.3.2.6. A nyomatékváltó 70
2.3.2.7. A tengelykapcsoló 70
2.3.2.8. A generátor 70
2.3.2.9. A mechanikus fék 70
2.3.2.10. A széliránykövető 71
2.3.2.11. A vezérlés 71
2.3.2.12. Az üzemi és biztonsági rendszer 71

3. A SZÉL ENERGETIKAI CÉLÚ JELLEMZÉSE (Tóth László) 73

3.1. A szél jellemzői 73

3.1.1. A szélerő 73
3.1.2. A globális széljárás 73
3.1.3. A szél struktúrája 75
3.1.4. A földi határréteg 76
3.1.5. A szél változásai 76
3.1.6. A szél időbeni változásának jellemzői 77
3.1.7. A szélváltozása magasság függvényében 78
3.1.8. Atmoszferikus turbulencia 82
3.1.9. A földfelszíni változások hatása 82
3.1.10. Változások az atmoszferikus stabilitásban 83
3.1.11. Akadályok az áramlás útjában 84
3.1.12. Helyi hőmérséklet-ingadozások 87

3.2. A szélgenerátorok telepítési helyének meghatározása 87

3.2.1. A potenciális szélturbina telephelykiválasztásának fő szempontjai 88
3.2.2. Adott területen a globális szélenergia-potenciál 89
3.2.3. Európa szélerőforrása 90
3.2.4. A konkrét hely kiválasztása 90

3.3. A szél, mint energiaforrás 91

3.3.1. A szél mozgási energiája 91
3.3.2. A szél dinamikus energiaegyenlete 92
3.3.3. A szélenergia-potenciál meghatározása helyszíni mérésekkel 93

3.3.3.1. Mérési adatok gyűjtése (Tóth Gábor) 93
3.3.3.2. Mérőműszerek 97
3.3.3.3. A mérési eredmények elemzése 102

3.4. Szélenergia-potenciál meghatározása modellezéssel (Horváth Gábor - Tóth Gábor) 116

3.4.1. Fizikai modellezés 117
3.4.2. Numerikus modellezés 117
3.4.3. NOABL 118
3.4.4. WAsP 119

3.5. Magyarországi modellezések 120

4. SZÉLERŐGÉPEK MŰKÖDÉSÉNEK ELMÉLETI ALAPJAI (Patay István) 125

4.1. Sugárelmélet 125
4.2. A teljesítménytényező 128
4.3. Szárnyrács-elmélet 130
4.4. Turbinaelmélet 137
4.5. Jelleggörbék 142
4.6. Az üzemi és szerkezeti jellemzők kapcsolata 149
4.7. A szélerőművekben alkalmazott generátorok és frekvenciaváltók (Hunyár Mátyás) 154

4.7.1. Aszinkron generátorok és a fordulatszám-változtatás lehetőségei 154

4.7.7.1. Pólusszám változtatása 156
4.7.1.2. Szlip változtatása 157
4.7.1.3. Frekvencia változtatása 159

4.7.2. Szinkrongenerátorok és frekvenciaváltóik 165

4.7.2.1. Hengeres forgórészű szinkrongép 166
4.7.2.2. Kiálló pólusú szinkrongép 167

A 4.7., 5.2 és 5.3. fejezetben alkalmazott jelölések 170

5. SZÉLERŐGÉPEK SZABÁLYOZÁSA ÉS VÉDELME (Patay István) 173

5.1. Szélerőgépek rugalmassága 173

5.1.1. Fordulatszám-rugalmasság 173
5.1.2. A széliránykövetés rugalmassága 176

5.2. Alapvető szabályozási feladatok villamosenergia-termelés esetén (Hunyár Mátyás) 179

5.2.1. A szélturbina elforgatása vagy elbillentése 181
5.2.2. A lapátszög szabályozása 182
5.2.3. Nyomaték- és teljesítménykorlátozás (speciális szárnyprofil) 185
5.2.4. Szabályozási lehetőségek a fordulatszám változtatásával 187
5.2.5. Követelmények és szabályozási lehetőségek szigetüzemben 189
5.2.6. Az áttétel és a generátor hatásfoka 191

5.3. Szélgenerátorok szabályozása és védelme 193

5.3.1. Közvetlen hálózatra kapcsolódó generátorok védelmi és szabályozási lehetőségei 193
5.3.2. Szabályozás impulzusvezérelt rotorellenállással 199
5.3.3. Frekvenciaváltón keresztül hálózatra csatlakozó generátorok 203
5.3.4. Áttétel nélküli szinkrongenerátorok 210
5.3.5. Két oldalról táplált generátorok 214
5.3.6. A leggyakoribb szabályozási megoldások a mechanikai kivitelek szerint 219

5.4. Viharvédelem segédlapáttal (Patay István) 220

6. A SZÉLGENERÁTOR RÉSZEGYSÉGEINEK REZGÉSEI, A FOLYAMATOK MODELLEZÉSE (Horváth Gábor) 223

6.1. Aerodinamikus erők és együtthatók 223

6.1.1. A szélteher számítása 228
6.1.2. Aerodinamikus karcsúság 229
6.1.3. A holt zóna és az interferencia 230
6.1.4. Az aeroelaszticitás 231
6.1.5. A széllökések dinamikus hatása 231

6.2. A szerkezet széllökésekre adott válasza (aerodinamikus admittancia) 233
6.3. Az örvények jellemzői 236

6.3.1. A lapátkerékről leváló örvények hatása 236
6.3.2. A lapátok forgásából adódó sajátfrekvencia 236
6.3.3. A kör keresztmetszetű henger körüli áramlás 237

6.4. A Kármán-féle örvénysorok szerkezetekre gyakorolt hatása 241

6.4.1. Rezgések a periodikus örvényleválás következtében 242
6.4.2. Oszlopok örvényleválások okozta rezgéseinek megelőzése 243

6.5. A mechanikai rezgések mérése 243

6.5.1. Lapátrezgések 244
6.5.2. Oszlop és alapozás 247
6.5.3. A rezgésamplitúdók elméleti meghatározása 249
6.5.4. Adott frekvenciájú külső gerjesztés okozta rezgések 249
6.5.5. A sajátfrekvencia meghatározásának elmélete 250

6.6. A változó tömegeloszlású és hajlítási merevségű tartók sajátfrekvencia-számítása 251
6.7. Szélcsatornában végzett mérések 253

6.7.1. Modellkísérletek és a hasonlóság kritériumai 253
6.7.2. A Reynolds-szám növelésének lehetőségei 255
6.7.3. Szélcsatornás modellkísérletek 255
6.7.4. Modellezés kismintákkal 258

6.8. A végeselem-modellezés alkalmazása szélgenerátorok tervezésénél és ellenőrzésénél 261

6.8.1. Matematikai alapok 261
6.8.2. A végcselem létrehozása 263
6.8.3. A tengelyszimmetrikus elem merevségegyenlete 264
6.8.4. A modellalkotásról gyakorlati szempontból 265
6.8.5. Rezgéstani modellek 266
6.8.6. Áramlástani modellek 267
6.8.7. A kapott nyomásértékek felhasználása bemenő terhelésként 269

6.9. Szélgenerátor oszlop modellezése 271

6.9.1. A sajátfrekvencia és a felharmonikusainak meghatározása számítással 271
6.9.2. A sajátfrekvencia meghatározása manuális módszerrel 271
6.9.3. Az oszlop sajátfrekvenciájának meghatározása végcselem analízissel 272
6.9.4. A kritikus szélsebesség számítása 273

6.10. A szélgenerátor oszlop geometriai méretének összefüggései 276
6.11. Szerkezeti elemek és erők 277

6.11.1. Összetett terhelések 277
6.11.2. Terhelések a szélgenerátorok lapátjain 278
6.11.3. Terhelések a gépházon és az oszlopon 279

7. A SZÉLGENERÁTOROK VILLAMOS HÁLÓZATRA KAPCSOLÁSA (Tóth Gábor) 281

7.1. Szigetüzem 281
7.2. A villamos áram közcélt elosztóhálózatra táplálása 280
7.3. A hálózatra csatlakozás (műszaki) feltételei (Hunyár Mátyás) 284
7.4. Hálózat és a generátorok (Tóth Gábor) 286
7.5. Szinkron generátor hálózatra csatlakozása 287
7.6. A villamos hálózat 288
7.7. A csatlakoztatás jogi feltételei 290

7.7.1. Értékesítési szándék bejelentése 290
7.7.2. Az áramszolgáltató hálózatára csatlakozás feltételei 291

7.8. Szélerőművek csoportos telepítése 295

8. A MEGÉPÍTETT SZÉLERŐMŰVEK VIZSGÁLATA (Tóth Gábor) 301

8.1. Építés (Inota) 301
8.2. Szélgenerátor beépítést követő ellenőrző vizsgálat (Inota) 305

8.2.1. A mérés műszerei 306
8.2.2. Az adatok feldolgozása, a vizsgálati eredmények 307

8.3. 600 kW teljesítményű szélerőmű Kulcs térségében (Tóth László, Stelczer Balázs) 314

8.3.1. A telepítés előkészítése, a gép kiválasztása 314
8.3.2. Építés 315
8.3.3. Vizsgálatok 317

8.4. A két vizsgált generátor jellemzése 320
8.5. A menedzsment rendszer feladatai (Hunyár Mátyás) 321

9. A SZÉLERŐMŰ KÖRNYEZETI HATÁSAI (Horváth Gábor) 323

9.1. Általános megfontolások 323

9.1.1. Komfortérzés és környezet 323
9.1.2. A globális felmelegedést okozó anyagok kibocsátásának elkerülése 323
9.1.3. A savasodást előidéző anyagok kibocsátásának elkerülése 324
9.1.4. A szélenergia-hasznosítás globális előnyei 325
9.1.5. A nukleáris energiával kapcsolatos aggodalmak 326
9.1.6. Fosszilis tüzelőanyag-tartalékok 326

9.2. Közvetlen hatások 327

9.2.1. Földterület-felhasználás 327
9.2.2. Vizuális hatás 327
9.2.3. A zajhatás 329
9.2.4. Elektromágneses zavarás 330
9.2.5. Hatása madarakra 331
9.2.6. Egyéb környezeti hatások 332

9.3. Energia- és anyagfelhasználás a szélerőmű élettartama alatt 333

9.3.1. Energiafogyasztás 333
9.3.2. Anyagszükséglet 334

9.4. Követelmények az EU-a belül 335

9.4.1. A "legjobb gyakorlat" 336
9.4.2. Telephely kiválasztása 336
9.4.3. Környezeti nyilatkozat 336
9.4.4. Tervezés, építés és üzemeltetés 336
9.4.5. Leszerelés és rekultiváció 337
9.4.6. Újrahasznosítás 337

9.5. Európai célkitűzések 338

9.5.1. A közösségi stratégia 338
9.5.2. Stratégiai célok 338
9.5.3. Fejlesztési célok 339
9.5.4. A megvalósítandó terv 340

9.6. A szélerőművek létesítésével kapcsolatos szabályozás az EU-ban 341

9.6.1. Az irányelvek természete 341
9.6.2. A szélerőmű megvalósíthatósági terve 342
9.6.3. Helykiválasztás 342
9.6.4. A tervezés 344
9.6.5. Dán példa 345
9.6.6. A megvalósíthatósági terv 347
9.6.7. Telepítés 347
9.6.8. Működtetés 348
9.6.9. A lebontás 348
9.6.10. EU-tagországok tapasztalatai, a társadalmi elfogadottság 349

9.7. A szélenergia magyarországi környezetvédelmi szabályozása 349

9.7.1. Érvényes magyar szabványok és jogszabályok 350
9.7.2. Szélerőművekkel kapcsolatos szabályozás lehetséges magyar direktívái 351
9.7.3. Környezeti hatástanulmány 351
9.7.4. Szakhatósági engedélyezési eljárás 352
9.7.5. Szakhatóságok 352
9.7.6. Alapvető tennivalók a szélgenerátor egységtervezéséhez 352
9.7.7. A működés 354

10. A SZÉLERŐMŰ GYÁRTÁSA (Tóth László) 355

10.1. Lapátszerkezetek 355
10.2. Tartóoszlopok 359

11. A SZÉLENERGIA GAZDASÁGOSSÁGA (Tóth László) 363

11.1 Működtetési és fenntartási költség 364
11.2. Egy szélenergia-befektetés gazdaságossági paraméterei 365
11.3. Az LPC költségmodell 365
11.4. A jövőbeni pénzügyi helyzet (cash flow) tervezése, becslése 366

12. KIFEJEZÉSEK 369

IRODALOM 375

TÁRGYMUTATÓ 379

TARTALOM