A villamos szélerőgépek működése
Írta: Toth Laszlo Dátum: 2007. June 11. 15:57:30
A villamos szélerőgépek működése
Dr. Tóth László egyetemi tanár
Schrempf Norbert PhD hallgató
Tóth Gábor PhD hallgató
Szent István Egyetem
Előzmény
Az előző cikkeinkben bemutattuk a szélenergia hasznosításának perspektíváit és a felhasználás szükségességét, a várható energiatermelés meghatározásának módszereit, a berendezések szerkezeti kialakítását és az adott területre várható energiatermelést. Jelen cikkünkben a berendezések néhány elméleti kérdését tárgyaljuk, azokat, amelyek a berendezések vezérlésének szabályozásának és védelmének megvilágítása céljából szükségesek. Különösen a szárazföldre telepített berendezéseknél fontos a szabályozás és a vezérlés, valamint a védelem kellő ismerete és azok hatékony megtervezése, mivel a kontinensek belsejében a berendezések igen eltérő orográfiájú és érdességű helyeken kerülnek telepítésre, melyek nagymértékben befolyásolják a szelek turbulenciáját (örvényességét) és irányváltozását valamint széllökések dinamizmusát. Tengerparti és offshore telepítéseknél a szélirányok és szélsebességek állandóbbak, emiatt a szabályozás kevésbé alapvető, inkább a védelem a meghatározó. Jó szabályozás révén a kontinensek belsejébe telepített berendezéseknél az energia kihozatal 15-20%-kal is javulhat.
Elméleti alapok
A szélerőgépek fejlődéséhez Prandtl és Betz áramlástechnikai kísérletei szolgáltattak alapot és tették lehetővé a korszerű szélerőgépek kifejlesztését.
Az áramlási térbe helyezett rotor tengelye azonos az áramlás irányával, a keresztmetszete A (1. ábra). A rotor előtt (1. keresztmetszet) az áramlás sebessége v1. Ha a rotor tengelyéről energiát veszünk le, a levegő sebessége lecsökken, hiszen mozgási energiájából veszít, s (2. keresztmetszet) a levegő sebessége v2 lesz.
1. ábra
Rotoron átáramló szél áramlási viszonyai
A rotoron átáramló levegőre érvényes a Bernoulli törvénye, miszerint:
Az áramlás a rotor keresztmetszetében nem stacionárius, a forgó szárnylapátok/szárnyak szaggatják az áramvonalakat. Közvetlenül a rotor előtt torlónyomás, a rotor után depresszió alakul ki.
Az A keresztmetszetű rotor tengelyén levehető maximális teljesítmény:
A teljesítmény maximuma:
A 16/27 érék nem más, mint a rotor teljesítménytényezője ( cWmax » 0,59 ).
A teljesítménytényező megmutatja, hogy a rotor – adott terhelés mellett – milyen mértékben használja ki a szél mozgási energiáját.
A lapátra ható erők
A rotorlapátok általában szárny- (nagy erőműveknél), vagy turbina-típusú (un. sűrűbb lapátozású kisebb szélmotorok) keresztmetszetűek. A szárnytípusú lapát keresztmetszete a repülőgépeknél használatos sajátos szárnyprofil (2. ábra).
2. ábra
A szárnyprofilú lapátra ható erők és a szélirányok x-y koordináta rendszerben
A V szélbe helyezett szárnyelemre dF nagyságú erő hat, amelyet praktikusan szélirányú (dFV) és szélre merőleges (dFE) komponensekre bonthatunk. A dF a felhajtóerő, amely a szárnyat „emeli”, s annak y irányú komponense (dFEy) a forgási síkban a igyekszik a lapátot elmozgatni és hasznos forgató nyomatékot képez, míg (dFVy) a szárny ellenállása, amelyet a légárammal szemben kifejt. A szélirányú komponensek (dFVx és dFEx) a lapátra hajlító nyomatékot fejtenek ki.
Energetikai szempontból nyílván az előnyös, ha a forgási irányba mutató komponense minél nagyobb. A profilirány szaggatott vonala és az elmozdulás iránya közötti szög (β) a lapátszög, s következésképpen a minél kisebb értékei kívánatosak.
A szárnyprofilokat általában kísérleti úton állítják elő és szélcsatornában vizsgálják tulajdonságaikat. Jellemzésükre a felhajtóerő-tényező, az ellenállás-tényező és a siklószám használatos.
A megfúvás szöge (α), a lapátkeresztmetszet profilirányának szaggatott vonala és a tényleges szélirány (V), valamint a kerületi sebesség (VU) vektorai által meghatározott un. látszólagos szélirány (Vr)által bezárt szög. A szél lapáton történő átáramlásának eredményeként a kilépő szélnek tangenciális komponense is van, ami azt bizonyítja, hogy a rotor „megcsavarja” a szelet.
A szél energiáját akkor tudjuk kihasználni maximálisan, ha sebessége a lapátokon egyharmadára csökken
A különféle szélerőgépeket az un. gyorsjárási tényezővel különböztetjük meg egymástól. A gyorsjárási tényező (a teljes rotorra vonatkoztatva):
azaz a rotor legkülső pontján a kerületi sebesség és a szélsebesség viszonyszáma. Eszerint ha 4 lassújárású, ha 4 akkor gyorsjárású rotorról (szélerőgépről) beszélünk (3. ábra).
A teljesítménytényezőből következtethetünk a nyomatéktényező (cM) karakterisztikára is, mivel:
cM ismeretében a névleges nyomaték:
3. ábra
A teljesítménytényező és a nyomatéktényező változása a gyorsjárási tényező függvényében
Érdemes megfigyelni, hogy a gyorsjárású rotorokkal lényegesen jobb teljesítménytényező érhető el, míg a lassújárású rotorok nyomatéktényezője igen kedvező.
Szélerőgépek szabályozása és védelme
A szélsebesség- és szélirányváltozások dinamizmusa hatással van a szélerőgép-üzemre. A szélsebesség-változásokból adódó fordulatszám ill. nyomatékingadozás lényeges lehet a kapcsolt munkagép üzemelésére, a szélirányváltozások pedig megkövetelik, hogy gondoskodjunk olyan szerkezetről, amely a rotort folyamatosan a szélirányba állítja, így biztosítva a lehető legnagyobb teljesítmény elérését.
A szélirányváltozás csak a vízszintes tengelyelrendezésű szélerőgépeknél okoz gondot, a függőleges tengelyűeknél az üzemeltetés szempontjából a szélirány közömbös.
A fordulatszám-rugalmasság fogalma alatt azt értjük, hogy a szélerőgép milyen gyorsan és módon reagál a szélsebesség-változásokra. Ez elsősorban a fordulatszám egyenletessége szempontjából fontos és a rotor tehetetlenségével, valamint a kapcsolt tehetetlen tömegekkel, továbbá a hajtott generátor - M = f(n) - nyomaték-függvényével kapcsolatos.
Az üzemelő szélerőgép esetében a széllökés nem forrása a veszteségnek, mivel a rotor nyomatéka – így teljesítménye is – megnő.
Ha azonban a szélsebesség hirtelen lecsökken, a rotor ventilátor-üzemmódba kerül: a saját és a kapcsolt tömegek mozgási energiája rovására fenntartani igyekezik a korábbi légáramot.
Általában a szélerőgép rugalmasabban reagál a szélsebesség növekedésre, mint a csökkenésre. Az utóbbi veszteségforrás, mert a lassulási idő alatt a szélerőgép ventillátorként energiát veszít. Ha a szélsebesség-változás dinamikus, a veszteség jelentős lehet és megmagyarázza a szélerőgépek teljesítménytényezőjének csökkenését. A veszteség a szélerőgép tehetetlen tömegének csökkentésével mérséklődik.
A szélerőgépek rugalmassága (fordulatszám, ill. frekvencia változása) más a széllökés, és más a presszió esetén.
Alapvető szabályozási feladatok a villamos energiatermelésnél
Az előzőkből látható, hogy a szélerőművek egyedülállóak abból a szempontból, hogy a bejövő energia (vagy teljesítmény) hirtelen és nagymértékben megváltozhat előre nem látható módon. Ezt a változást elsősorban a megváltozott sebességű és irányú széllökések jellemzik.
A szélturbinával kapcsolatban legalább három alapvető szabályozásra lehet igény.
- Teljesítmény-szabályozás, amely az előzőleg elmondott okok ellenére egyensúlyban tartja a kimenő és bejövő teljesítményeket.
- Sebesség korlátozás, amely megakadályozza a forgó részek károsodását.
- Sebesség szabályozás, amely az adott rendszerben a szélenergia maximális hasznosítását célozza meg.
|
4. ábra a./ A szélturbinák tipikus teljesítmény-sebesség diagramja a három alapvető szabályozási tartományban. b./ A három alapvető szabályozási mód tartományainak elhelyezkedése a nyomaték-szögsebesség síkon. Az ábra jelölései: PTN ill, PIN – névleges teljesítmény, vi – indítási szélsebesség, vn – névleges szélsebesség, vmax – leszabályzási szélsebesség, v1-8 –szélsebességek a szabályozási szakaszban, Cpmax – teljesítménytényező max. értéke, wT – a turbina szögsebessége. |
A 4..ábrán a sebesség-teljesítmény síkon, ill. a szögsebesség nyomaték síkon ábrázoltuk a három üzemmódot, azzal a megszorítással, hogy a teljesítmény szabályozás állandó névleges teljesítményre szabályozást jelent ezúttal (ami feltételezi a vn-nél nagyobb szélsebességet, és a villamos hálózat megfelelő fogadókészségét). Az ábrán vi-vel jelöltük az indulási vagy bekapcsolási sebességet, vn a szél névleges sebessége, vmax pedig a maximális megengedett szélsebesség. Sokszor a fenti három szabályozási cél a megvalósításokban nem különíthető el élesen, (hiszen a szélsebesség itt egyben teljesítményt is jelent). Kis szélturbinák esetén a következő lehetőségek közül választhatunk:
- a generátorház és szélkerék függőleges tengely körüli elforgatása,
- a generátorház és szélkerék vízszintes tengely körüli elbillentése,
- szabályozás nélküli kivitel,
- a lapátszög változtatása a lapát hossztengelye körüli elforgatásával (pitch-control),
- a szárny profiljának speciális kialakítása, amely egy adott relatív szélsebesség felett a szélkerék sebesség és teljesítmény vesztésével jár (az angol és német szakirodalom ezt „stall- control”-nak nevezi).
Nagy szélturbinák (Pn>600W) esetén csak az utóbbi két megoldást alkalmazzák.
A szélturbina elforgatása vagy elbillentése
A szélenergia hasznosítható hányada csökkenthető, ha a szélkerék forgási tengelyét elforgatjuk a szél sebességének irányából. A módszer csak a lassú járású turbináknál használatos.
A lapátszög szabályozása (pitch-control)
A turbinából kivehető teljesítmény (Cp teljesítménytényező révén) jól befolyásolható a lapátok szélirányhoz viszonyított szöghelyzetének változtatásával A lapátszög állítására szolgáló berendezések elforgathatják az egész lapátot (5. ábra), vagy csupán annak a csúcs közelében levő részét.
Ez a szabályozási módot ma már a teljesítmény mértékétől függetlenül alkalmazzák, leginkább a viszonylag kis súlyú lapátozásnál kedvező, ahol a nyomatéklökésekből származó igénybevételek alig csökkenthetők változtatható rotor szögsebességgel, a kis tehetetlenségi nyomaték miatt.
5. ábraPozitív irányok lapátszög szabályozáskor
A b lapátszög növelésével (Mh irány) nő az emelő erő, ezzel a forgató nyomaték, a b felső határát a leválási örvények kialakulása határozza meg. A b lapátszög csökkentésével mérséklődik az emelő erő, s kisebb lesz a forgató nyomaték, tehát a rendszer fékeződik.
A működtetés többféle lehet. A lapátok szabályozása lehet közös vagy egyedi. Az utóbbi elvileg aerodinamikai kiegyensúlyozatlansághoz vezethet, jelentős többlet-igénybevételekkel kísérve.
Hidraulikus és villamos hajtás esetén külső energiaforrásra is szükség van, ami megnöveli a költségeket. Ennek ellenére a hidraulikus hajtások széleskörűen elterjedtek a kis és közepes turbináknál. Villamos hajtásokat általában csak 200 kW feletti névleges teljesítményeken alkalmaznak. 10-100 kW teljesítmény tartományban a hidraulikus hajtások közvetlenül a generátor tengelyén keresztül vannak megtáplálva, amelyek a pozíció alapjeltől való eltérés alapján nyitják vagy zárják a szelepeket. A visszatérítés rugóval történik, ami energia kimaradás esetén is biztonságos megoldás. A villamos hajtások mindkét irányban szabályozott beállást tesznek lehetővé. Nagy teljesítményeken inverteres táplálású szinkron vagy aszinkron motoros hajtásokat alkalmaznak. A szabályozó berendezéseket általában a gondola végében helyezik el.
A hidraulikus hajtások külön energiafelhasználás nélkül is képesek (állandó nyomás mellett) kifejteni a tartónyomatékot egy adott pozícióban. Ezekben a rendszerekben a lapát tömege mellett az összes többi mozgatott tömeg elhanyagolható mértékű. Villamos hajtások általában csak adott áram és fluxus segítségével képesek kifejteni a szükséges tartónyomatékot. Ahhoz, hogy a szélturbina által hajtott berendezéseket meg tudjuk óvni a gyorsan változó széllökések dinamikus igénybevételeitől, a lapátszöget állító szervohajtásnak kellően gyorsnak kell lennie.
Nyomaték és teljesítmény-korlátozás (Speciális szárnyprofil, stall control)
Aerodinamikailag tervezett szárnyprofilok esetén a levegő lamináris áramlásakor az „emelőerő” nagyobb részét a lapát hátoldalán jelentkező szívóhatás okozza (6. ábra).
| |
6. ábra A szélturbina lapátjának keresztmetszete körüli létáramlat sebességei, erőhatásai. |
Állandó b szög esetén a szél sebességének növekedésével nő az a (állás-, megfúvási-) szög, ha a forgórész szögsebessége közelítőleg változatlan marad. Az a szög egy adott értéke felett a légáramlat hirtelen leválik a lapát hátoldaláról (vagy annak egy részéről) és a 6. ábra szerint a hátoldalon örvénylés alakul ki. Ez az emelőerő drámai csökkenéséhez és a visszahúzó erő növekedéséhez vezet.
Közvetlen hálózatra kapcsolódó generátorok
Sajnos az aszinkron generátorok hálózatra kapcsolása, vagy visszakapcsolása általában jelentős áram- és nyomatéklökésekkel jár. A túláram oka részben az elektromágneses tranziens (a fluxus jelentős változása), részben pedig a kapcsolási pillanatban fennálló szögsebesség eltérés (az állandósuló állapot szögsebességéhez képest). Az áramcsúcs a névleges áram 12-szeresét is elérheti, ha az aszinkron gép kis impedanciájú és a hálózat kellően merev. A gyakori indítás és a szinkron fordulatszám alatti üzemi felesleges energiaveszteséget jelent.
Szabályozás vezérelt rotor ellenállással
A generátor lüktető nyomatéka a rotor ellenállás növelésével csökkenthető. A csökkenés mértéke analitikusan is kifejezhető pl. állandósult állapot körüli nyomaték lengésekre. Olyan szabályozásra van szükség, amely megengedi a szlip és a fordulatszám rugalmas változását nyomatéklökések alkalmával, ugyanakkor állandósult állapotban – különösen kis terhelésen – viszonylag alacsony értéken tartja a veszteségi teljesítményt. E megoldások mind feltételezik a csúszógyűrűs aszinkron gép alkalmazását. Sajnos a nagy éves óraszámban működő generátorok csúszó súrlódásnak kitett alkatrészei hamar elhasználódnak, ezért felügyeletet és sűrű karbantartást igényelnek. Ezért a gyártóknak a kefenélküli megoldások természetes törekvései (7. ábra).
7. ábra
A szabályozás blokkvázlata
Teljesítmény szabályozási lehetőségek a fordulatszám változtatásával
Hálózatra kapcsolt generátor esetén a hálózati frekvencia meghatározza a generátor és a turbina fordulatszámát. Adott szélsebesség és lapátszög esetén nincs mód a teljesítmény igény szerinti, vagy biztonsági okok miatt szükséges szabályozására. Ha azonban megváltoztatható az áttételi viszonyszám, akkor – bár korlátozott módon – lehetőség nyílik a leadott teljesítmény megváltoztatására.
Ha a szinkron vagy aszinkron generátor frekvenciaváltón keresztül csatlakozik a hálózatra, akkor a generátor szögsebessége az fH hálózati frekvenciától függetlenül állítható be optimális teljesítményre. Normál üzemben célszerű azt az optimális l gyorsjárási tényezőt választani, amelyhez tartozó Cp(l) érték maximális az éppen érvényes szélsebesség mellett. Ekkor a rendszer maximálisan hasznosítja az adott pillanatban a szélben rejlő energiát. A frekvenciaváltó gyors szabályozhatósága lehetővé teszi, hogy a hálózatba jutó energia „minősége” is javuljon a szélsebesség gyors változása ellenére. A gyorsuló vagy lassuló forgómozgást végző szélturbina és generátor tehetetlenségi nyomatéka lendítőkerékként (energiatárolóként vagy szűrőként) viselkedik, és a teljesítménylökéseket megszűrve továbbítja a hálózat felé. Kisebb szélsebességeken csökkenthető a generátor szögsebessége, ami részben a zaj, részben a mechanikai igénybevételek csökkentését eredményezi.
Frekvenciaváltó közbeiktatásával megszűnik a generátor frekvencia kényszere. Alkalmas szabályozással a turbina fordulatszáma követheti a szélsebesség változását, ami lehetővé teszi Cpmax megközelítését. Ugyanakkor a nyomatéklökések alkalmával a nagy tehetetlenségi nyomatékú szélturbina lendítőkerékként viselkedik, átmenetileg tárolva az energia lengő részét, csökkentve a tengelyek és az áttétel igénybevételeit.
Ideális esetben a változó sebességű turbinák a következő előnyökkel rendelkeznek a hálózathoz mereven kapcsolt társaikkal szemben:
- több energia nyerhető ki a turbinából adott szélsebesség eloszlás esetén (jobb Cp),
- kisebbek a mechanikai igénybevételek a teljes rendszerben,
- könnyebb az indítás, és kisebb szélsebességen is el tud indulni a turbina,
- alacsony sebességeken a rendszer eredő hatásfoka a generátor veszteségeinek csökkentésével is javítható,
- kisebb sebességeken csökken a zajszint,
- szinkron generátor esetén nincs szükség a szinkronozás műveletére, aszinkron generátorok esetén nincs szükség a mágnesező áramot biztosító kondenzátorokra, jobb „minőségű” a termelt villamos energia (rövid időszakokra nézve állandóbb a teljesítmény).
Állandó fordulatszámú turbinák esetén – ha nincs lapátszög-szabályozás – akkor az áramirányító határteljesítménye (ill. adott szélsebesség) felett a generátort le kell állítani.
Áttétel nélküli szinkron generátorok
Az áttétel nélküli szélerőművek (8.ábra b részlet) az utóbbi időben terjedtek el. Legnagyobb előnyük, hogy elmarad a mechanikai áttételben keletkező energiaveszteség és zaj, továbbá csökken a karbantartási igény. A konstrukciók általában kihasználják, hogy a szélkerék és a generátor forgórésze ugyanazon a tengelyen helyezkedik el, és ennek köszönhetően elegendő a közös tengely végein csapágyazni. A gyakorlatban közvetlen hajtású szélgenerátorként kizárólag szinkron generátorokat alkalmaznak. A szélturbinák névleges fordulatszáma a névleges teljesítménytől függően nn=15-60/min tartományban van. Az áttétel nélküli szinkrongenerátoroknak ez egyben az
nn=n1n=60f1n/p [1/min]
névleges szinkron fordulatszáma. Ha feltételezzük, hogy a névleges fordulatszámon f1n=50Hz a generátor névleges frekvenciája, akkor az nn=60/min fordulatszámú generátornál p=50, az nn=15/min fordulatszámúnál p=200 a póluspárok száma. A közvetlen hajtású szinkron szélgenerátorok névleges frekvenciája a gyakorlatban is f1n»50Hz, annak ellenére, hogy frekvenciaváltós üzemben dolgoznak.
8. ábra
600 kW-os szélerőmű.
A - Áttételes megoldás,
B - Áttétel nélküli megoldás.
Az állandómágneses szinkrongépek egyre szélesebb alkalmazást nyernek és várható, hogy a jövőben egyeduralkodók lesznek ezen a területen, ezért csak ezekkel foglalkozunk
A szélgenerátor részegységeinek dinamikus és statikus terhelése
Aerodinamikus erők
A szélgenerátor terhelése háromdimenziós áramlásban tehát három erő és három nyomaték segítségével határozható meg. Ezek az erők az áramlással kapcsolatos x-y-z koordináta-rendszerben (9. ábra) a következők.
| |
9. ábra Az aerodinamikus erők derékszögű koordináta rendszerben |
A terhelő erők és nyomatékok:
- aerodinamikus ellenállás: Fx (N);
- oldalerő: Fy (N);
- felhajtóerő: Fz (N);
- hajlító-nyomaték: Mx (Nm);
- oldalirányú hajlító-nyomaték: My (Nm);
- csavaró-nyomaték: Mz = (Nm).
Alapvetően az összes terhelés a légáramlásnak a szerkezetre kifejtett hatásából adódik, ami számtalan közvetlenül vagy csak közvetve ható tényezőtől is függ, és amelyeket a következő négy csoportra lehet felosztani:
A légáramlatban a szerkezeti egységek mögött - az un. utóáramlási övezetben - holt zóna alakul ki, azaz aerodinamikus árnyék keletkezik. Ha két szerkezeti egység közötti távolság kicsi, akkor a második test légritkított térbe kerül, amelyek az elöl lévő szerkezettere ható erőkkel ellentétes irányban hatnak. Így a két szomszédos szerkezet kölcsönhatásba kerül egymással. Ezt a jelenséget nevezik interferenciának.
A széllökések rezgésbe hozhatják a szerkezeti egységet, amelyek függnek annak alakjától és rugalmasságától. Minél merevebb az építmény (azaz minél kisebb a rezgésideje), annál kisebb a dinamikus hatás, mivel az építmény sajátfrekvenciájához képest annál lassúbb a terhelésátadás. A széllökések szélgenerátort a szél irányával párhuzamos síkban rezgésbe hozzák.
10. ábra
A rezgések leírása
A) periodikus, B) csillapított, C) gerjesztett
Ahhoz, hogy az építmény rezgése gerjeszthető legyen, a széllökésnek nemcsak megfelelő frekvenciájúnak, hanem az építmény nagyságának megfelelő hullámhosszúságúnak is kell lennie. Ez a viszony a λ/ℓ hányadossal vehető figyelembe, ahol λ a széllökés hullámhossza, ℓ az épület lineáris mérete. A szerkezeti kölcsönhatás miatt a tervezésnél a lapátkerék fordulatszámát is figyelembe kell ezt venni. Ezen okból az egymás közelébe telepített gépeknél tervezni kell a gépek közötti optimális telepítési távolságot is. A lapátok mérete és alakja, valamint a szélsebességprofil határozzák meg a csavaró nyomatékok jellegét.
Ha például a percenként húsz fordulattal üzemelő berendezés lapátkerekének sajátfrekvenciája 0,33 Hz, akkor alapvető követelmény, hogy az oszlop sajátfrekvenciája 10 %-al nagyobb legyen.
A tartóoszlop két oldalán felváltva légörvények válnak le (Kármán-féle örvénysor), amelyek oldalirányban terhelik az oszlopot. Ha ez az örvényleválás periodikus, akkor a testet állandó sebességű szél is rezgésre gerjesztheti.
Kúpos csőoszlopok hosszának növelésével a sajátfrekvencia értéke csökken, amely a gondola tömegének növelésével még tovább mérsékelhető. A nagy tömegű masszív alapozás a stabilitás mellet jelentős szerepet tölt be keletkező lengések csillapításában is.
A szélgenerátor megfelelő stabilitása az első, amit számításokkal alátámasztva bizonyítani kell ahhoz, hogy a szükséges építési engedélyt a hatóságoktól megszerezzük. Az oszlop fontos a szélturbina statikai stabilitása, s a dinamikai viselkedése szempontjából is.
A | B |
C 11. ábra A nagytömegű alaphoz készített, s az alapkarimához rögzített (korrózió álló villámvédelmi huzalozással kiegészített külső- (A) és az igen erős belső vasalás (B), valamint a beton betöltése az alapba (C) |
Az oszlop 15-20 % -ot tesz ki a teljes rendszer költségéből, így számottevő ártényező, jelentős a szerepe a szállításnál és a felállításnál is.
A sajátfrekvencia és a széllökések frekvenciájának egyezése hatására extrém nagy erők üzemzavarhoz vezethetnek, ezért ilyenkor a gépeket azonnal le kell állítani, a melyről a beépített saját védelmi mechanizmus gondoskodik.. Ugyancsak nagy terhelés jelentkezik a hálózattal való összehangolás, vagy a fékezés idején. Különleges környezeti viszonyok hatásával, pl. jegesedéssel is számolni kell, de az extra nagy terhelések, pl. tornádók hatásai csak nehezen védhetők.
A lapátra a legnagyobb terhelés érintőleges irányú, pl. fékezéskor, vészleállásnál és a generátor gyors indításánál.
Amíg a centrifugális erők egyszerűen számíthatóak, addig a Coriolis erők meghatározásánál a lapátkerék szögsebességén kívül figyelembe kell venni a széliránykövetésből adódó a csavarodás irányát illetve sebességét is mivel ezek erősítik vagy gyengítik a terheléseket. Ezért is pl. a gépházat rögzítő karimát és a szélirányba forgató mechanizmust többszörös biztonsági tényezővel méretezik( 12. ábra).
| |
12. ábra A szélirányba forgató motorok és a gondola felerősítő karima |
Szélerőművek meghibásodása (európai tapasztalatok)
Az Európában üzemelő szélerőművek eddigi üzemeltetési során az EWEA az ábra szerinti meghibásodási okokat és arányokat tapasztalta. A gondos méretezések ellenére a meghibásodások legnagyobb része a terhelésekből fakadó mechanikus okokra vezethetők vissza, de ennek ellenére egyedileg a leggyakoribb zavarokat a vezérlő és elektromos rendszer adja.
13. ábra
A funkcionális elemeken jelentkező meghibásodások %-os aránya
Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a berendezések szabályozása és vezérlése egyre inkább kategóriák közé sorolható és ezek alapján eldönthető, hogy az egyes berendezéseket milyen körülményekre célszerű alkalmazni. Kontinentális viszonyok között egyre inkább az
un. pitch - control rendszerek látszanak gazdaságosnak és előnyösnek, hálózatra csatlakozás szempontjából pedig a hajtómű nélküli, frekvencia szabályzós (inverteres) kivitelek. A nagyobb berendezéseknél egyre inkább ez figyelhető meg, miközben a létesítési trend is a nagyobb berendezések irányába mutat, hiszen a fajlagos telepítési és üzemeltetési költség a nagyobb egységeknél fajlagosan kisebb.
A nagy teljesítményű, nagy gondola- és lapáttömeggel rendelkező kiviteleknél a szélirányba forgatást már több aszinkronmotorral valósítanak meg, amely elősegíti a gyorsabb reagálást és a szimmetrikus terhelést, ill. a jelentkező igénybevételeknél a terhelési irányokra kevésbé érzékenyek, mivel több ponton van megfogás ill. tehermentesítés.
