A SZÉL ENERGETIKAI CÉLÚ JELLEMZÉSE
A VÁRHATÓ ENERGIATERMELÉS
Dr. Tóth László egyetemi tanár
Schrempf Norbert PhD
Tóth Gábor PhD
Szent István Egyetem
Előszó
Az előzőekben megjelent 2 cikkben szóltunk a szélenergia hasznosításával kapcsolatos gazdasági kérdésekről, majd pedig a berendezések fejlesztési trendjéről és a szerkezeti kialakításukról. Jelen cikkben a berendezések építési helyének kiválasztásáról és az ezzel kapcsolatos számításokról szólunk. A szélenergiát hasznosító nagyteljesítményű generátorok beruházási költsége meglehetősen magas, 1 kW beépített teljesítményre vetítve 250-300 eFt. Ez megköveteli, hogy a berendezések létesítése előtt igen pontosan meggyőződjünk arról, hogy az adott területen mekkora volumenű energiatermelés várható, azaz a berendezés energiatermelés révén a beruházási költsége mekkora idő intervallumban térül meg. Gyakorlatilag a mérések és a számítások alapján döntik el a befektetők, s a hitelező bankok, hogy a beruházást egyáltalán célszerű-e megvalósítani. Ebből következik, hogy kockázat mérséklése miatt a lehető legpontosabb energia célú szélmérések és számítások szükségesek. Jelen cikkünkben e folyamatot kívánjuk bemutatni, (nyilvánvalóan a terjedelme miatt a teljes részletességre nincs lehetőségünk).
A szél, mint energiaforrás
A szél sebességét és irányát az atmoszférában folyó lég cirkuláció, a helyi termikus viszonyok és a talajegyenetlenségek befolyásolják, a változása az általános légcirkuláció keretében lassan órák, vagy napok alatt megy végbe. A talaj egyenetlenségei és a légkör termikus jelenségei széllökéseket idéznek elő, amikor is a szél sebességében és irányában pillanatnyi változások következnek be, amelyeket turbulenciáknak nevezünk.
Ha a hosszú távú szélsebesség-mérési eredményeket mint idősorokat átalakítjuk gyakorisági függvénnyé, akkor egyfajta energiaspektrumot kapunk, vagyis megismerhetjük, hogy mely szélsebességek tartalmazzák a legtöbb energiát. Ez alapján megbecsülhetjük a kinyerhető energia mértékét is.
Az átlagos szélsebesség, leírja a turbina számára elérhető energiamennyiséget. A változó komponensnek (turbulenciának) is van hatása az energiatermelésre, de nem közvetlen módon, mivel a lapátkerekek nem képesek rögtön reagálni a szélsebesség vagy irány megváltozására. Ezek a változások jól megérthetők, ha a szél struktúráját úgy képzeljük el, mint különféle méretű, háromdimenziós örvények sorozatát a fő áramlás mentén.
A széljárás megváltozik, amint az időjárási front áthalad. A szélnek ez a változékonysága azt okozza, hogy az elektromos áram termelése is folyton változni fog. A mérési hely szélstatisztikája leírja ezeket a változásokat.
A szél mozgási energiája
Mint láttuk, a szél a légkör termikus egyensúlyának megbomlásából eredő légmozgás, azaz a levegő áramlása.
Az A keresztmetszeten, v sebességgel átáramló légtömeg tömegárama (1. ábra) :
m* = rAv [kg/s], (3.15)
amelynek egy másodpercre vonatkozó mozgási energiája:
Ahol:
- Ρ - a levegő sűrűsége [kg/m3],
- A – a vizsgált (pl. generátoroknál a rotor által súrolt) felület [m2],
- v - a zavartalan szél sebessége [m/s].
Később tárgyaljuk, hogy a szélerőművek a szélnek csak egy részét képesek hasznosítani, mégpedig
Ez a Betz-maximum, értéke a potenciális 59,3 %-a. A gyakorlatban, részben technikai okokból, és a szél változásai miatt további veszteségek lépnek fel. Ténylegesen 20-30% az, amit kinyerhetünk a meglévő szélenergia potenciálból.
A levegő sűrűsége csökken a hőmérséklet és a magasság növekedésével . A sűrűség értéke körülbelül 0.9 - 1.4 kg/m3 között változik. E a változás a hatása lényegesen kisebb a szélsebességénél, ezért is a gyakorlatban, pl. a szélsebesség méréseknél nem szokták figyelembe venni.
A szélturbinák általában a névleges teljesítmény, a névleges szélsebességnél szolgáltatják. A névleges szélsebességet az adott terület széljárásának megfelelően lehet meghatározni, ami gyakran 1.5 – szerese a térség átlagos szélsebességének.
1. ábra)
Az oszlop előtti szélnyomás eloszlás
Va = átlagos szélsebesség, A = a lapátok által súrolt felület
A szélturbina teljesítménye nullától, a bekapcsolási sebességtől a maximális teljesítményig növekszik, amely érték a névleges szélsebességnél van. Ezt követően a turbina folyamatosan a névleges teljesítményt szolgáltatja, mígnem a szélsebesség a szerkezetre veszélyessé válik, s ekkor a szabályozó rendszer a turbinát leállítja (20-25 m/s). A fenti határértékek megismerése céljából egyértelmű, hogy a szélturbinák energiatermelésének pontos meghatározásához a telepítési pontra (területre) vonatkozó éves szélsebesség-adatbázis ismerete nélkülözhetetlen. A következőkben a széllel kapcsolatban néhány alapfogalmat mutatunk be, nem a teljesség igényével.A szél idődeni változásának jellemzői
Az éves átlagos szélsebesség elfedi a rövidebb ideig tartó változásokat. Mivel a kinyerhető energia a szélsebesség köbével arányos, az elhanyagolása komoly kihatással lehet az éves energiapotenciál becslésére. E probléma csak a szélsebességek várható éves eloszlásának leírásával hidalható át. Ezért egy másodpercenkénti mintavételek, és a 10 perces átlagok rögzítéser szükséges. A mérés során minden szélsebesség tartományban tárolni kell az előfordulások számát, és végül éves összeget kell képezni. Így kapjuk az adott terület széljárásának statisztikai leírását. A legjobb statisztikák készítéséhez a méréseket éveken át - tíz évig - kell folytatni ahhoz, hogy figyelembe vehessük az évek közti eltéréseket is.
Számos statisztikai eloszlásfüggvényt kipróbáltak a szélsebességek leírásához. A kétparaméteres Weibull - eloszlás bizonyult a leginkább alkalmasnak azáltal, hogy az adatsorokhoz megfelelő pontossággal illeszkedik.
Amellyben a k és a c paramétereket helyi szélviszonyokhoz kell megválasztani. Kontinentális viszonyok között, pl.:
- 1,5<k<3 (rendszerint 2)
- c≈1,12 vá (vá = mért átlagos szélsebesség)
Ha k=2, akkor megkapjuk a Rayleigh – eloszlást, amennyiben k=1, akkor exponenciális eloszlást kapunk. Ezek a Weibull – eloszlás speciális esetei. Észak-Európa nagy részén a k tényező közel egyenlő kettővel. A c tényező értéke az adott átlagos szélsebesség értékével egyezik meg.
A szélsebesség-gyakoriságok matematika leírása lehetővé teszi a generátorok teljesítmény-görbéivel való összevetést. Így megkapható a turbina éves energiahozama, valamint lehetséges olyan turbina kiválasztása, be- illetve kikapcsolási szélsebességének figyelembevételével, mely lehetővé teszi a legnagyobb termelékenységet
.
A szél változása a magasság függvényébenA légkör termikus rétegeződése kihat a gyenge szél profiljának a függőlegességére. Erős szél esetén (6 m/s felett), 10 m feletti magasságban, ez a hatás elenyészően kicsi, ha erős, mechanikus turbulencia lép fel (viharok, zivatarok vagy frontok alkalmával kivételek is előfordulhatnak, ha alul igen meleg levegő áramlik). A gradiens-sebességnek itt annyiban van hatása, hogy az erős szél magassággal kapcsolatos sebességnövekedése kisebb, mint a gyenge szélé. Erős szél esetén a terep egyenetlensége a döntő. A szél magasságtól való függése exponenciálisan fejezhető ki.
ahol:
- h számítási magasság (m)
- hg a mérési magasság (m)
- v h magasságban várható sebesség (m/s)
- vg gradiens szél sebessége a mérési magasságban (m/s)
- a: a terep egyenetlenségétől (érdességétől), a szélsebességtől függő korrekciós tényező
Az a értékét a terep egyenetlensége, a beépítés sűrűsége, az építmények nagysága, valamint a fa-, ill. bokorállomány határozza meg. Az egyenetlenség nem az egyes akadályok hatásából, hanem számos akadály összegződött hatásából származik, s a földfelszín minőségétől függően a következőképpen alakul (2. ábra):
- Sík mező erdővédő fasávok nélkül 0,12-0-18
- Nyílt terep (kisebb domb, ültetvények) 0,22-0,28
- Erdős síkság 0,28-0,35
- Város alacsony épületekkel 0,35-0,50
- Város magas házakkal 0,50-0,8
2. ábra
A felszíni egyenetlenségek befolyásoló hatásaHa a táj jellege úgy változik, hogy a szél a simább területről érkezik az egyenetlenebbre, akkor a sebessége csökkenni fog a felszíni rétegben. A nagyobb felszíni súrlódás hatására sebességcsökkenés következik be, s a növekvő nyíróerők által, kiterjed az egész légtömegre. Tehát a felszínnek megfelelő légáramlás alakul ki.
Hasonlóan, ha az egyenetlen területről ér a simább részre, akkor a sebesség növekedése kiterjed az áramlat egész profiljára. Természetesen az egész változás lejátszódásához meglehetősen hosszú útra van szükség. A dombok és hegyek akadályokat jelentenek a légtömegek áramlása számára. A levegő felettük, vagy azokat megkerülve halad tovább. Ezek mérete és formája jelentős hatással van a kialakuló áramlási képre. Amikor a szél egy sima domb felett halad át, az áramvonalak összenyomódnak, a szélsebesség növekszik. Ez teszi a fennsikokat különösen alkalmassá a szélturbinák telepítéséhez.
A turbina közelében lévő épületek, vagy nagy fasorok jelentősen megzavarhatják az áramlás képét. Akadályozzák az áramlást, és turbulenciát okoznak. A nagyobb akadályok hatása az áramlásra a magasságának legalább tízszeresén érződik hosszanti irányban, felfelé pedig a kétszeresén.
Az okozott turbulencia extra terhelést jelenthet a szélturbina részei számára, amennyiben az a turbina komponenseinek mérettartományába esik. Ez kifáradáshoz vagy meghibásodáshoz vezethet a várható időnél hamarabb. Ennek természetesen szigorú gazdasági következményei vannak, amennyiben a beruházás nem térül meg.
A turbina elhelyezésére a nagyobb akadályoktól minél messzebb kerüljön sor, ha ez nem lehetséges, akkor a lehető legmagasabb oszlop alkalmazására kell törekedni (3. ábra)
3.ábra
Szélmérést minimum 40-50 m magas tornyokon (speciálisan erre a célra készített un. mérőállványokon- bal oldali kép-, vagy meglévő, pl. mikrohullámú átjátszó állomások építményein-jobboldali kép) 20-25 és 40-50 m magasságokban kell mérni ( Ez szükséges a szél általános tulajdonságain és értékein túl a szélprofi, a turbulencia, valamint a magassági korrekció meghatározása céljából
A potenciális szélturbina-telephely kiválasztásának főbb szempontjai
A meteorológiai szolgálatok által meghatározott átlagos szélsebességek izovent térképeken kerülnek ábrázolásra, melyeken az azonos, éves átlagos szélsebességű pontok görbékkel kötik össze. Ezeknek az adatoknak a használata kizárólag csak durva becslésekhez ajánlható, nagyobb területekre vonatkozóan. Ha a helyi domborzat hatását nem vették figyelembe, akkor komoly hibaforrás lehet egy ilyen adatsor felhasználása az átlagok számításánál. A nem megfelelő magasságban végzett mérések a szélerőforrás komoly alulbecsléséhez vezethetnek. A szélatlaszok adatai csak becslésekre érvényesek, s annál inkább felhasználhatóak, minél jobban figyelembe vették a felszín változásait is.
Számos országban alakítottak olyan szervezeteket, melyek feladata a helyi szélenergia-potenciál, és az adott régióban a legalkalmasabb szélgenerátor telephelyek felmérése volt. Az ilyen felmérések végzésére többnyire számítógépes modelleket, és már meglévő, archivált adatokat használtak.
A nagy beruházásokat előkészítő vállalkozások számára öntő szempont a turbinák élettartamára vonatkoztatott energiatermelő képesség minél pontosabb meghatározása
.
A turbinatelepítések konkrét helyszínének kiválasztásaÁltalában a telephely kiválasztásához, annak vizsgálatához többféle forrásból kell adatokat szerezni. Ilyenek:
- archivált meteorológiai adatok,
- helyszíni energiacélú szélmérések,
- numerikus vagy fizikai modellekkel származtatott adatok.
A széljárás mellett számos egyéb tényezőt kell figyelembe venni az optimális telephely kiválasztásához. Ezek nagyvonalakban:
- elektromos hálózat elérhetősége, fogadókészsége,
- helyi környezeti hatások (pl. védett területek, tájkép),
- helyi úthálózat,
- lakóhelyek közelsége,
- zajhatás,
- interferencia (fény, mikrohullámú átjátszó állomások, stb.).
Szélsebesség. A szélsebesség az a pillanatnyi sebesség, amellyel a levegő adott földrajzi helyen, a terepszínttől meghatározott magasságban mozog. Jelölése: v, mértékegysége m . s-1.
Átlagos szélsebesség. Mivel a levegő mozgását nehéz pontosan követni és leírni, ezért a szél mozgását a légsebesség időbeli átlagával jellemezzük, ami bizonyos esetekben pontatlanságot visz számításainkba. Az átlagos szélsebesség annál pontosabban jellemzi a levegő mozgását, minél több adat áll rendelkezésünkre az adott vonatkoztatási időtartam alatt. Az átlagos szélsebesség megadásánál mindig hivatkozni kell a vonatkoztatási időalapra, máskülönben nem értelmezhető. Például: óránkénti, napi, havi, évi, stb. átlagos szélsebesség.
Az átlagos szélsebesség az adott földrajzi helyen adott magasságban, meghatározott időtartam alatt mért szélsebességek számtani átlaga. Jelölése: va, mértékegysége: m s-1.
Relatív szélsebesség-gyakoriság. A relatív szélsebesség-gyakoriság egy adott szélsebesség vagy meghatározott szélsebesség-tartományba eső szélsebességek mért vagy számított előfordulása, vagy előfordulási valószínűsége.
Szélirány. A szél iránya mind függőleges, mind pedig vízszintes síkban változhat, de energetikai szempontból a szélirány vízszintes komponense a döntő. A szélirány a szél mozgási irányának vízszintes vetülete, amelyet az égtájakhoz viszonyítva adunk meg.
Relatív szélirány-gyakoriság.
A relatív szélirány-gyakoriság egy adott szélirány vagy szélirány-tartományba eső szélirányok mért előfordulása vagy számított valószínűsége.
Az átlagos szélsebességek méréséhez általában kanalas anemométereket használnak, mivel ezek elég megbízhatóak és viszonylag alacsony az áruk.
A kanalas vagy a propelleres anemométernek a forgása a szél sebességének nagyságával arányos. Ezt a készülék feszültséggé vagy impulzussá alakítja. Minden forgó rendszerű anemométernek van egy küszöb légsebessége, ahol elkezd működni. Ez általában 0.5-2 m/s között van. Minden forgó rendszerű anemométernek van egy távolság-, és egy idő-állandója. A távolság-állandó a légoszlop hosszát jelenti, melynek a műszer érzékelőjén át kell haladnia mire a műszer a sebességváltozást 63.2 %-ban már érzékeli. Ez függ a levegő sűrűségétől. Az időállandó azt az időt jelenti, mely alatt a műszer már 63.2 %-ban reagál a változásra. Ez a szélsebességgel fordítottan arányos érték. A kanalas anemométerek tehetetlenségéből következik, hogy nagy hibákkal mérik a gyorsuló és a lassuló szeleket.
Az eredményekben torzítást okozhat maga a műszer tartószerkezete, vagy egyéb elhelyezett műszerek is, ezért a műszerek elhelyezése nagy gondosságot követel. Azokat az elemeket, melyek zavart okozhatnak, lehetőleg a legkevésbé gyakori szélirányba kell elhelyezni, amit általában ismerünk a meteorológiai szolgálatok adataiból.
A szél irányának (szélirány = ahonnan a szél fúj) megadására a gyakorlatban kétféle megadási mód terjedt el. Az első, melyet az éghajlatkutatásban illetve az időjárás jelentésekben alkalmaznak, az úgy nevezett „fő- és mellékirányok” (égtájak) leírásával
.
Főirányok | |||||||
N | NE | E | SE | S | SW | W | NW |
Mellékirányok | |||||||
NNE | ENE | ESE | SSE | SSW | WSW | WNW | NNW |
A szélirányok megjelölése az égtájak angol megnevezéseinek kezdőbetűiből adódik (N–North – észak; E–East – kelet; W–West – nyugat; S–South – dél). A másik jelölési mód esetén, például a fokokat használják, vagyis a szélirány skálának 360 fokú osztása van.
Mérőműszerek
A leggyakrabban használt szélsebeségmérő a kanalas , un. anemométer.Kialakítását tekintve a szabadon forgó, függőleges tengelyre rendszerint három (esetleg négy) kanalat erősítenek. A szélsebességtől függően a szélnyomás forgásba hozza a kanalakat, illetve a tengelyt (4. ábra).
A forgótengelyről különböző jelek (mint elektromos kontaktus, feszültség, fényjel) vehetők le, melyek analóg úton, időtengelyen regisztrálhatók, vagy digitális módon memóriában illetve valamilyen háttértárolón rögzíthetőek. Az átlagos sebesség a jelsűrűség és az időintervallum alapján számítható.
a) kanalas anemométer b) szélirányjelző c) az adatrögzítő háza
4. ábra
Szélenergia mérőműszerei
A műszerek adatgyűjtő processzora minden perc végén kiszámítja a másodpercenként mért szélsebességet 10 percre átlagolva (m/s–ban, 0,1 m/s–os pontossággal), valamint rögzíti a szélirányt.
A méréssel felvett adatok pontossága kulcsfontosságú, egy kis hiba is a szélsebességmérésnél hatványozottan jelentkezik a szélpotenciál meghatározásában, ami a gazdaságosság megítélése során, teljesen téves következtetés levonását eredményezheti. A legfontosabb összefüggéseket az 5. ábra szemlélteti.
5. ábra
A szélsebesség mérési eredmények felhasználása
a) – a szélgenerátor teljesítménye ( Q-kW) és hatásfoka (hWP) a szélsebesség függvényében
b) – energiatermelés (Ei- kWh) s szélsebesség eloszlás függvényében
c)- a szélsebesség gyakorisága (hi - %), ahol vN- névleges szélsebesség- ahol a teljesítmény maximuma adódik, , v- átlagos szélsebességEzek az adatok hozzárendelhetők a speciális eloszlás függvényekhez, amelynél a konstans paraméterek meghatározására különféle technikák vannak használatban. Ilyenek pl. a Rayleigh és a Weibull-eloszlás segítségével végzett számítások (a függvényt már bemutattuk).
A szélgenerátor átlagos teljesítmény:
- KF a kihasználási tényező (20 - 25% közötti értékek kontinentális viszonyok között elfogadhatók)
- PGn a szélgenerátor névleges teljesítménye
- he hatásfok (generátorfüggő, de < 0,59)
Az erőmű éves energiatermelése:
(kWh)
A várható energiatermelés
A klíma és az évszakok hatása
Az ábrából látható, hogy az egyes évek havi szélsebesség átlagaiban 20-25 %-os eltérés is előfordul a 10 éves átlagától (6. ábra).
6. ábra
10 év meteorológiai szélmérési adatainak havi átlagai
- Debrecen -
a 10 év átlagának bejelölésével (Forrás: Tarr K. 2001)
A mérések során kapott adatokat a berendezések adatgyűjtő egységei rögzítik, és ezekből végezzük el a különféle számításokat, főként a magassági korrekcióra vonatkozót, amely a generátor oszlopok magasságának meghatározását segíti, ill. dönti el, ill. a várható energiatermelést számítjuk ki a gyártók által megadott generátor szélsebesség – teljesítmény jelleggörbék alapján. Mivel e jelleggörbék is a szélsebesség függőek, a számítható teljesítmények ugyancsak hasonlóak, tehát a méréseink alapján képzett szélsebesség határokra vetítjük a generátor azonos határok közé megadott várható teljesítmény adatait. Pl.: 5-6 m szélsebesség tartományban a generátor várható teljesítménye 200-270 kW akkor megvizsgáljuk, hogy a mérések alapján az összes adatnak hány százaléka esik ebbe a tartományba, vagyis a berendezés az összes működési időből mennyi időt tölt ezen szélsebesség tartományban (7. ábra). Így kiszámítjuk az összes lehetséges tartományra várható energiatermelést, azt összegezzük és kapjuk meg az évi összes energiatermelést. Az adatok a mérési eredmények alapján a kiszámítható konstansok, hatványkitevők segítségével a generátorok későbbi építési magasságára is átszámítható. A két mérési magassággal a szélprofilt ellenőrizzük, a későbbi vetítési magasság miatt. A kiértékelés adatait példánkban az 50 m-es magasságban kapott értékekkel szerepeltetjük.
A számítások folyamatot mutatják be a következő ábrák (7., 8., 9. és 10. ábrák).
7. ábra
Szélsebesség éves eloszlások különböző magasságokban
8. ábra
A havi átlagos szélsebességek alakulása és az α magassági korrekció értékei,
amely alapján a 120 m magas oszlopra a várható szélsebesség meghatározható
9.ábra
A 15-25 és 50 m –es magasságban végzett mérések alapján a 100 és 120 m magasságra számított szélsebesség
10. ábra
A mérés alapján felrajzolt szélsebesség %-os eloszlása (M), valamint az adatbázisra illesztett eloszlási függvények vonalai és a hozzájuk tartozó átlagos szélsebességek.
11. ábra
A szélirányok %-os alakulása az év során a generátor megválasztása és a generátorok egymáshoz való geometriai (síkbeli) kiosztása miatt fontos
A számításhoz ismerni kell a beépítésre kerülő szélgenerátor szélsebesség-teljesítmény jelleggörbéjét , amelyet a gyártó szolgáltat geometrikus és digitális formában (12. ábra).
12. ábra
850 kW névleges teljesítményű generátor teljesítmény jelleggörbéje a szélsebesség függvényében
A mérési adatok számított értékei
800 kW névleges teljesítményű erőmű esetén
A számítás módszere | A mért jellemző | Mértékegység | A számított adatok a torony magassága szerint | Eltérés | |
60 m | 100 m | ||||
A mérési adatok alapján | Átlagos teljesítmény | kV | 222,3 | 306,2 | 83,9 |
Az éves energiatermelés | kWh | 1947,0 | 2682,4 | 735,4 | |
A gépkihasználási tényező | % | 26,1 | 36,0 | 9,9 | |
Rayleigh függvény segítségével | Átlagos teljesítmény | kV | 220,5 | 301,3 | 80,8 |
Az éves energiatermelés | kWh | 1931,2 | 2639,8 | 708,6 | |
A gépkihasználási tényező | % | 25,9 | 35,5 | 9,6 | |
Weibull függvény segítségével | Átlagos teljesítmény | kV | 219,3 | 299,8 | 80,5 |
Az éves energiatermelés | kWh | 1921,5 | 2626,5 | 705 | |
A gépkihasználási tényező | % | 25,8 | 35,3 | 9,5 | |
A táblázat adatai szerint tehát az energiatermelési növekmény a magasság hatására (a mérési adatokból számított adatok alapján): 735400 kWh/év, ami (735400 x 17,8 =) 13 090 120,- Ft/év többlet eredményt jelent.
Összefoglalva: A bemutatott eljárások alapján látható, hogy szélerőműveket létesítendő vállalkozóknak, a beruházást megelőző energetikai célú szélméréseket és értékeléseket nagy gondossággal kell elvégezni. Mindezek költsége egy szélerőmű, ill. szélerőmű-park létrehozása előtt (a beruházás indításakor) néhány (2-10) millió forint ráfordítással jár, ami a végső beruházási költséghez (300-400 milliótól 8-10 milliárd Ft) viszonyítva már jelentéktelen.