Úgy tűnik, mintha minden héten egy új szélgenerátor-innovációt mutatnának be, néha technológiai blogokban, néha televíziós szegmensekben, egyszer még a TED Talks-on is. Mindegyik azt állítja, hogy jobb, mint az általunk leginkább ismert ikonikus, háromlapátos, vízszintes tengelyű szélturbinák. Mi tehát a leghatékonyabb konstrukció a szélenergia hasznosítására? Ha mindegyik kialakítás állandó szélforrásnak lenne kitéve, és mindegyik kialakításnak azonos lenne a felülete (lapátok, aerofoilok vagy más alkatrészek), melyik termelné a legtöbb villamos energiát ugyanabban az időintervallumban?
Rövid válasz
A modern vízszintes tengelyű, háromlapátos szélturbina termelné a legtöbb villamos energiát. Az alternatív technológiák jobb teljesítményére vonatkozó állításokat, amelyeket beruházási igények kísérnek, rendkívül szkeptikusan kell kezelni.
Hosszú válasz
A szélerőművek maximális potenciális termelését a Betz-törvény (más néven Betz-határérték) határozza meg. Betz kiszámította, hogy a szélből kinyerhető maximális teljesítmény a teljes energiának 59,3%-a.
Háromlapátos vízszintes tengelyű szélturbinák
Vertikális…tengelyes szélturbinák aerodinamikus lapátokkal
Kábeles, Repülő szélgenerátorok (egyelőre csak prototípusok és renderelések)
Horizontal-különböző típusú szélgenerátorok aerodinamikai komponens nélküli lapátokkal
Vertikális-tengelyes szélgenerátorok különböző típusai, mint például a Savonius generátor aerodinamikus lapátok nélkül
Változatos, sugárhajtóműnek látszó berendezések, vagy sugárhajtóművek nagy tölcsérekkel, dugattyús kúpok (a Saphonian ) vagy dugóhúzók
Tornyok, amelyek passzív napfűtést használnak az alapjuk körül, hogy a toronyban forgó szélturbina lapátjai mellett feláramló erős szelet hozzanak létre
Hogyan állnak ezek?
Már több mint 300 000 háromlapátos, közüzemi méretű, vízszintes tengelyű szélturbina termel áramot. Ezek a nyerő energiatermelési formák, mert ezek a leghatékonyabbak. Az okok könnyen megmagyarázhatók:
Aerodinamikus lapátok hozzáadnak egy emeléssel kapcsolatos erőösszetevőt, hogy a lapát gyorsabban mozogjon. Ez jelentős előny a szélmalmokkal szemben, akár vízszintes, akár függőleges tengelyűek. Bármely még megfelelően megtervezett, aerodinamikus lapátokkal rendelkező szélturbina mindig több villamos energiát termel, mint a legjobb generátor, amelynek nincs aerodinamikus felhajtóerő, mint az energia befogadásának összetevője.
A háromlapátos konstrukció lapátjai mindig tiszta levegőben repülnek. Az előző lapát áthaladásának turbulenciája már lefelé szállt a szélben, mire a következő lapát ugyanezen a ponton áthalad. A függőleges tengelyű szélturbinák, függetlenül attól, hogy lapátos vagy tiszta légellenállású formákról van szó, az idő jelentős százalékában turbulens levegőn repülnek keresztül. A tiszta levegő jelentős előnyt biztosít a háromlapátos HAWT-k számára.
A háromlapátos kialakítás lapátjai mindig optimális szögben állnak a szembejövő széllel szemben. Az aerodinamikusan lapátolt függőleges tengelyű szélturbinák forgás közben folyamatosan változtatják a lapátok szögét a szembejövő szélhez képest, és még a legjobb konstrukcióknak is csak egy része áll mindig optimális szögben. A HAWT-k lapátjainak a szembejövő levegőhöz való igazítása ehhez az előnyhöz képest jelentéktelen mennyiségű energiát igényel. A Savonius szélgenerátorok (amelyek egy finn mérnökről kapták a nevüket, aki 1922-ben megalkotta egy elterjedt változatát) még rosszabbak, mivel felületük felén a homorú részen fogják be a szelet, a domború részen pedig elvesztik a szelet, ami a felületük másik felén légellenállással és további turbulenciával jár. (Elemeztem egy kisvállalkozás potenciális befektetését a mikrotermelő képességbe, és láttam, hogy a feltaláló 5 “újítást” hozott létre a Savonius alapfeltevés körül, amelyek a kisebb öntözési célokra elegendő olcsó energia előállítási formából a kisebb öntözési célokra elegendő energia előállításának nagyon drága formájává tették.) A kontextus kedvéért itt van egy költséghatékony Savonius öntözőszélmalom, amelyet egy régi műanyag hordóból és némi ócskavasból készítettek.
A három lapát jól méretezhető. Az egyik legnagyobb előnye, hogy egy nagyon magas toronyra nagyon nagy lapátokat lehet szerelni, és rengeteg szelet lehet gyűjteni azon pont felett, ahol a talajjal való érintkezés miatt lelassul.
Sok “innovatív” konstrukciót javasoltak, amelyek valamilyen Venturi-effektust használnak a turbina rotorjaival kombinálva, de az alapvető probléma az, hogy ahhoz, hogy elegendő szelet lehessen gyűjteni, a külső héjat olyan mértékben kell méretezni, hogy a súly és az anyagköltségek megfizethetetlenné válnak. A külső héjnak legalább az átmérő négyzetéig, de valószínűleg még ennél is nagyobbra kell nőnie. Egy 3 MW-os szélturbina 80 méteres lapátokkal a 20 096 négyzetméternyi levegő energiájának egy részhalmazát képes felfogni. Egy ilyen méretű Venturi-héjnak 251,2 méteres kerülete lenne, valószínűleg legalább 10 méter szélesnek kellene lennie, mielőtt észrevehető hatások lépnének fel, és óriási súlya lenne.
A többi “innovatív” tervezet valamilyen szélfogó eszközt – léghajóhéj turbinalapátokat, turbinával ellátott kereteket, turbinával ellátott sárkányokat – repít az állandóbb és a talajtól magasabb szélbe. A probléma az, hogy ezek folyamatosan a mérethatárokba ütköznek. A léghajóhéjú szélgenerátorok merevségi problémákkal küzdenek, jóval azelőtt, hogy eljutnának a közüzemi szintű termelésig. A lapátokkal ellátott repülő sárkányokhoz hatalmas és nagyon hosszú kábelek kellenek, hogy ellen tudjanak állni az erőknek. Ezek a prototípusok általában nagyon érdekesek, és soha nem kerülnek piacra. Mindegyikükhöz hatalmas földi berendezésekre van szükség, rendkívül nagy csörlőkkel, ha közüzemi szintű termelést akarunk. Amikor elkezdünk gondolkodni a hajó-hawser szintű erősségben szorozva a több kilométernyi kábellel, akkor kezdünk rájönni, hogy a kábel súlya és költsége önmagában megfizethetetlen lesz bármilyen hasznos termelési szinten.
A háromlapátosok csak ülnek egy helyen egy nagy oszlopon, amikor áramot termelnek. Ez nagyon hatékony, ami az egyik oka annak, hogy az építés során felhasznált energiát gyorsabban megtérítik, mint az áramtermelés bármely más formája. Egy ausztráliai szélerőműpark egy év alatt 302-szer annyi villamos energiát termelt, mint amennyit az indításukhoz, a fékezésükhöz és a szélbe fordításukhoz felhasználtak. Hasonlítsuk ezt össze egy repülő szélturbina követelményeivel, amelyet be kell vontatni, amikor nem fúj a szél, el kell indítani, amikor a szél beindul, és egy nehéz, potenciálisan kilométer hosszú kábelt kell rendszeresen beállítani a termelés maximalizálására.
A lenti grafikon E. Hau. 2006-os könyvéből származik: Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Springer. Németország. 2006. Ez már akkor sem volt újdonság, csupán egy kézenfekvő megállapítás, amit a tankönyvekben szerepeltetni kell.
A turbinalapátos napszéltorony áll a legközelebb ahhoz, hogy érdekes technológia legyen, azonban a karbantartást soha nem vizsgálják. A turbinákat gyakran úgy képzelik el, hogy a torony hosszában 3-7 vagy több vízszintesen egymásra helyezett turbinát helyeznek el. Alternatív megoldásként sokkal kisebbek is elhelyezhetők a torony alján, a kiterjedt üvegtáblából kivezető alagutakban. Nagyon meleg szélben fognak működni, valószínűleg 45 Celsius-fokos vagy annál magasabb hőmérsékleten, 50 km/h vagy annál nagyobb sebességgel. Gyakorlatilag a berendezés egy konvekciós sütő, amely rövid idő alatt megsütne egy embert. A torony belsejében való munkavégzéshez hűtőruhára és légzőkészülékre lenne szükség, ha a szélsebesség egyáltalán lehetővé tenné ezt. A turbina fejének vagy lapátjainak kiemelése a toronyból a szervizeléshez rendkívüli munka lenne. A szél bemenetének lezárása öt kilométer átmérőjű kapuk bezárását igényelné.
Lássuk figyelmesen a kapcsolódó bejegyzésemet Befektetés; a szélenergia “újítások” ritkán kóser kérdések a szélenergia-termelés bármely innovatív darabjával kapcsolatban, különösen, ha valaki arra kéri, hogy pénzt tegyen bele.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
Miért nem népszerűbbek a függőleges tengelyű szélturbinák?
A légi szélturbinák az olcsó energia plauzibilis forrása?
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
A szélturbinák hat hónap alatt visszafizetik a teljes környezeti “adósságot”
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
Paul Gipe kiváló anyaga a szélerőművek gazdaságosságáról
.
