Háttér
A szélturbina olyan gép, amely a szél mozgási energiáját forgó mechanikai energiává alakítja, amelyet aztán munkára használ fel. A fejlettebb modellekben a forgási energiát egy generátor segítségével villamos energiává, az energia legsokoldalúbb formájává alakítják át.
Az emberek évezredek óta használják a szélmalmokat víz szivattyúzására vagy a gabona őrlésére. Még a huszadik században is használtak magas, karcsú, többszárnyú, teljesen fémből készült szélturbinákat amerikai házakban és farmokon, hogy vizet pumpáljanak a ház vízvezetékrendszerébe vagy a szarvasmarhák itatóvályújába. Az első világháború után megkezdődött a villamosenergia-termelésre alkalmas szélturbinák kifejlesztése. Marcellus Jacobs 1927-ben feltalált egy prototípust, amely képes volt áramot szolgáltatni egy rádióhoz és néhány lámpához, de kevés máshoz. Amikor később megnőtt az áram iránti kereslet, Jacobs kicsi, nem megfelelő szélturbinái kiestek a használatból.
Az Egyesült Államokban épített első nagyméretű szélturbinát Palmer Cosslett Putnam találta ki 1934-ben; 1941-ben fejezte be. A gép hatalmas volt. A torony 36,6 yard (33,5 méter) magas volt, két rozsdamentes acéllapátjának átmérője pedig 58 yard (53 méter). Putnam szélturbinája 1250 kilowatt villamos energiát tudott termelni, ami egy kisváros szükségleteinek kielégítésére volt elegendő. Mechanikai meghibásodás miatt azonban 1945-ben leállították.
Az 1970-es évekbeli olajembargóval az Egyesült Államokban ismét elkezdték mérlegelni az olcsó áram szélerőművekből történő áramtermelés megvalósíthatóságát. A Mod-O prototípusa 1975-ben már működött. Ez egy 100 kilowattos turbina volt két 21 yardos (19 méteres) lapáttal. További prototípusok következtek (Mod-OA, Mod-1, Mod-2 stb.), mindegyik nagyobb és erősebb volt, mint az előző. Jelenleg az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának célja, hogy gépenként 3200 kilowattot meghaladó teljesítményt érjen el.
A szélturbináknak sokféle modellje létezik, a legszembetűnőbb a függőleges tengelyű Darrieus, amely tojásverő alakú. A kereskedelmi gyártók által leginkább támogatott modell azonban egy vízszintes tengelyű turbina, amelynek teljesítménye körülbelül 100 kilowatt, és három, legfeljebb 33 yard (30 méter) hosszúságú lapátja van. A három lapátos szélturbinák egyenletesebben forognak és könnyebben kiegyensúlyozhatók, mint a kétlapátosak. Emellett, bár a nagyobb szélturbinák több energiát termelnek, a kisebb modelleknél kisebb a valószínűsége a nagyobb mechanikai meghibásodásnak, és így gazdaságosabb a karbantartásuk.
A szélerőművek az egész Egyesült Államokban megjelentek, leginkább Kaliforniában. A szélerőműparkok szélturbinák hatalmas csoportjai, amelyeket kedvező széltermelésű területeken helyeznek el. Az összekapcsolt szélturbinák nagy száma szükséges ahhoz, hogy elegendő villamos energiát termeljenek egy jelentős lakosság igényeinek kielégítéséhez. Jelenleg több szélenergiával foglalkozó vállalat tulajdonában lévő szélerőművek 17 000 szélturbinája évente 3,7 milliárd kilowattóra villamos energiát termel, ami 500 000 háztartás energiaszükségletének kielégítésére elegendő.
Nyersanyagok
A szélturbina három alapvető részből áll: a toronyból, a motorházból és a rotorlapátokból. A torony vagy az elektromos tornyokhoz hasonló acélrácsos torony, vagy acélcsöves torony, amelyen belülről létra vezet a motorházhoz.
A következő lépésként az üvegszálas géptetőt szerelik fel. A belső részeit – főhajtótengely, sebességváltó, valamint a lapátok állás- és görbületvezérlése – egy gyárban összeszerelik és egy alapkeretre szerelik. A gondolát ezután csavarokkal rögzítik a berendezés körül. A helyszínen a gépházat felemelik az elkészült toronyra, és a helyére csavarozzák.
A legtöbb toronyban nincsenek póznák, azaz a tartáshoz használt kábelek, és a legtöbb torony acélból készül, amelyet a védelem érdekében cinkötvözettel vontak be, bár néhányat ehelyett festenek. Egy tipikus amerikai gyártmányú turbina tornya körülbelül 80 láb magas és körülbelül 19 000 fontot nyom.
A gondola egy erős, üreges héj, amely a szélturbina belső működését tartalmazza. Általában üvegszálas anyagból készül, a gondola tartalmazza a fő meghajtótengelyt és a sebességváltót. Tartalmazza továbbá a lapátok dőlésszögének vezérlését, egy hidraulikus rendszert, amely a lapátok dőlésszögét szabályozza, valamint a gémhajtást, amely a turbina szélhez viszonyított helyzetét szabályozza. A generátor és az elektronikus vezérlés alapfelszerelés, amelynek fő alkotóelemei acél és réz. Egy jelenlegi turbina tipikus gondolája körülbelül 22 000 fontot nyom.
Az anyagok legváltozatosabb felhasználása és az új anyagokkal való legtöbb kísérletezés a lapátoknál történik. Bár a kereskedelmi szélturbinák lapátjainak legdominánsabb anyaga az üreges maggal rendelkező üvegszál, más anyagokat is használnak, például könnyűfát és alumíniumot. A fából készült lapátok tömörek, de a legtöbb lapát egy magot körülvevő héjból áll, amely vagy üreges, vagy könnyű anyaggal, például műanyag habbal, méhsejttel vagy balsafával töltött. Egy tipikus üvegszálas penge körülbelül 15 méter hosszú és körülbelül 2500 fontot nyom.
A szélturbinákhoz tartozik egy közműdoboz is, amely a szélenergiát villamos energiává alakítja, és amely a torony tövében található. Különböző kábelek kötik össze a közműdobozt a gondolával, míg mások az egész turbinát a közeli turbinákkal és egy transzformátorral kötik össze.
A gyártási folyamat
Mielőtt az egyes szélturbinák építését megfontolnák, a gyártóknak meg kell határozniuk a szélerőművek elhelyezésére alkalmas területet. A szélnek egyenletesnek kell lennie, és sebességének rendszeresen 15,5 mérföld/óra (25 kilométer/óra) fölött kell lennie. Ha a szél bizonyos évszakokban erősebb, akkor előnyös, ha a legnagyobb villamosenergia-felhasználás idején a legnagyobb a szélerősség. A kaliforniai Altamont Passban például, ahol a világ legnagyobb szélerőműparkja található, a szélsebesség nyáron, amikor a legnagyobb a kereslet. New England egyes területein, ahol szélerőműparkok létesítését tervezik, a szélerősség télen a legerősebb, amikor a
A fűtés növeli az elektromos energiafogyasztást. A szélerőművek a legjobban a hegyekkel körülvett, enyhén dombos, nyílt területeken működnek. Ezeket a területeket azért részesítik előnyben, mert a szélturbinákat a hegygerinceken lehet elhelyezni, és fák és épületek nem akadályozzák őket, a hegyek pedig koncentrálják a légáramlást, így egy természetes szélcsatornát hoznak létre az erősebb, gyorsabb szelek számára. A szélerőműveket a közművezetékek közelében kell elhelyezni, hogy megkönnyítsék a villamos energia átvitelét a helyi erőműbe.
A helyszín előkészítése
- 1 Ahol szélerőműparkot építenek, ott az utakat kivágják, hogy utat csináljanak az alkatrészek szállításához. Minden szélturbina helyszínén a földet leföldelik, és a pad területét kiegyenlítik. Ezután betonalapot fektetnek a földbe, majd következik a földkábelek telepítése. Ezek a kábelek sorban összekötik a szélturbinákat egymással, és mindegyiket összekötik a távvezérlő központtal is, ahol a szélerőműparkot felügyelik és az áramot az áramszolgáltatóhoz küldik.
A torony felállítása
- 2 Bár a torony acél alkatrészeit nem a helyszínen, hanem egy gyárban gyártják, általában a helyszínen szerelik össze. Az alkatrészeket a felállítás előtt összecsavarozzák, és a tornyot a felállításig vízszintesen tartják. A tornyot egy daru emeli a helyére, az összes csavart meghúzzák, és befejezéskor a stabilitást tesztelik.
Gondola
- 3 Az üvegszálas motorházat a toronyhoz hasonlóan a helyszínen, gyárban gyártják. A toronnyal ellentétben azonban azt is a gyárban szerelik össze. Belső részeit – fő hajtótengely, sebességváltó, valamint a lapátok dőlés- és állásszabályozói – összeszerelik, majd egy alapkeretre szerelik. A géptornyot ezután csavarozzák
A géptorony és a lapátok elhelyezésével egyidejűleg telepítik az egyes szélturbinák közműdobozát és a szélerőműpark elektromos kommunikációs rendszerét. Kábelek futnak a motorháztól a közműdobozig és a közműdoboztól a távvezérlő központig.a berendezés körül. A helyszínen a gondolát az elkészült toronyra emelik és a helyére csavarozzák.
Forgólapátok
- 4 Az alumíniumlapokat alumíniumlemezek összecsavarozásával készítik, míg a fából készült lapátokat úgy faragják, hogy egy repülőgépszárnyhoz hasonló keresztmetszetű aerodinamikus légcsavart alkossanak.
- 5 Messze a legtöbb lapátot azonban üvegszálból alakítják ki. Az üvegszál gyártása aprólékos művelet. Először egy két félből álló, kagylóhéjhoz hasonló, mégis lapát alakú formát készítenek. Ezután egy üvegszál-gyanta kompozit keveréket visznek fel a forma belső felületeire, amelyet ezután lezárnak. Az üvegszálas keveréknek ezután több órán át kell száradnia; ezalatt egy levegővel töltött hólyag segít a penge alakjának megtartásában. Miután az üvegszál megszáradt, a formát kinyitják, és a hólyagot eltávolítják. A penge végső előkészítése magában foglalja a tisztítást, a csiszolást, a két fél tömítését és a festést.
- 6 A lapátokat általában a toronyra való felhelyezés után csavarozzák a géptoronyra. Mivel az összeszerelés a földön könnyebben elvégezhető, előfordul, hogy egy háromágú lapátból két lapátot a felemelés előtt csavaroznak a gondolára, a harmadik lapátot pedig a gondola felhelyezése után csavarozzák rá.
A vezérlőrendszerek telepítése
- 7 Az egyes szélturbinák közműdobozát és a szélerőműpark elektromos kommunikációs rendszerét a gondola és a lapátok elhelyezésével egyidejűleg telepítik. A kábelek a motorháztól a közműdobozig és a közműdoboztól a távvezérlő központig futnak.
Minőségellenőrzés
A legtöbb gyártási folyamattal ellentétben a szélturbinák gyártása nagyon kevéssé foglalkozik a minőségellenőrzéssel. Mivel a szélturbinák tömeggyártása meglehetősen új keletű, nincsenek szabványok. Ezen a területen most történnek erőfeszítések mind a kormányzat, mind a gyártók részéről.
Bár a szolgálatban lévő szélturbinákra az idő 90 százalékában számítanak, még mindig sok szerkezeti hibával találkoznak, különösen a lapátoknál. A repedések néha már röviddel a gyártás után megjelennek. Gyakoriak az igazítási és összeszerelési hibák miatti mechanikai meghibásodások. Az elektromos érzékelők gyakran meghibásodnak a túlfeszültség miatt. A nem hidraulikus fékek általában megbízhatóak, de a hidraulikus fékrendszerek gyakran okoznak problémát. Tervek készülnek a meglévő technológia felhasználására, hogy megoldják ezeket a nehézségeket.
A szélturbináknak rendszeres karbantartási ütemtervük van a meghibásodások minimalizálása érdekében. Háromhavonta ellenőrzik őket, és hathavonta terveznek egy nagyobb karbantartási ellenőrzést. Ez általában a mozgó alkatrészek kenését és a sebességváltó olajszintjének ellenőrzését jelenti. Lehetőség van arra is, hogy egy dolgozó a helyszínen tesztelje az elektromos rendszert, és feljegyezze a generátorral vagy a csatlakozásokkal kapcsolatos esetleges problémákat.
Környezeti előnyök és hátrányok
A kimeríthetetlen szelekből áramot termelő szélturbina nem okoz szennyezést. Ehhez képest a szén, a kőolaj és a földgáz egy-két kilogramm szén-dioxidot (az üvegházhatáshoz és a globális felmelegedéshez hozzájáruló kibocsátást) termel megtermelt kilowattóránként. Amikor a szélenergiát elektromos szükségletekre használják, csökken a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőség e célból. A szélturbinák jelenlegi éves villamosenergia-termelése (3,7 milliárd kilowattóra) négymillió hordó olajnak vagy egymillió tonna szénnek felel meg.
A szélturbinák nem teljesen mentesek a környezeti hátrányoktól. Sokan esztétikátlannak tartják őket, különösen akkor, ha hatalmas szélerőműparkokat építenek érintetlen természeti területek közelében. Madárpusztulást dokumentáltak, és a forgó lapátok elég nagy zajt csapnak. E hatások csökkentésére irányuló erőfeszítések közé tartozik, hogy olyan helyszíneket választanak ki, amelyek nem esnek egybe a vadonban található területekkel vagy a madarak vonulási útvonalaival, és kutatják a zajcsökkentés módjait.
A jövő
A szélerőművek jövője csak jobb lehet. A szélenergiában rejlő lehetőségek még nagyrészt kiaknázatlanok. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának becslése szerint 1995-re a jelenleg termelt villamos energia mennyiségének tízszeresét lehet elérni. 2005-re a jelenlegi termelés hetvenszerese lehetséges. Ha ez megvalósul, a szélturbinák az Egyesült Államok villamosenergia-termelésének 10 százalékát adnák.
Jelenleg kutatások folynak a szélerőforrásokkal kapcsolatos ismeretek bővítése érdekében. Ennek során egyre több területet vizsgálnak meg, hogy a szélerőműveket ott helyezzék el, ahol megbízható és erős a szél. Tervek vannak arra, hogy a gép élettartamát öt évről 20-30 évre növeljék, javítsák a lapátok hatékonyságát, jobb vezérlést biztosítsanak, hosszabb élettartamú hajtásláncokat fejlesszenek ki, és lehetővé tegyék a jobb túlfeszültség-védelmet és földelést. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma nemrégiben ütemtervet állított fel a legújabb kutatások végrehajtására, hogy a jelenleginél nagyobb hatásfokú szélturbinákat lehessen építeni. (Az ideális szélturbina hatásfoka 59,3 százalék. Vagyis a szél energiájának 59,3 százalékát lehet megragadni. A ténylegesen használt turbinák hatásfoka körülbelül 30 százalék). Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma három vállalattal is szerződést kötött a mechanikai meghibásodások csökkentésének módjait kutató kutatásokra. Ez a projekt 1992 tavaszán kezdődött, és az évszázad végéig fog tartani.
A szélturbinák az elkövetkező években egyre elterjedtebbé válnak. A világ legnagyobb szélturbinagyártója, a U.S. Windpower azt tervezi, hogy 1995-re 420 megawatt kapacitásról (4200 gép) 800 megawattra (8000 gép) bővül. Terveik szerint 2000-re 2.000 megawatt (20.000 gép) lesz. Más szélturbinagyártók is tervezik a gyártott darabszám növelését. Több iparosodott nemzetből álló nemzetközi bizottságok alakultak, hogy megvitassák a szélturbinákban rejlő lehetőségeket. Törekvések folynak arra is, hogy a fejlődő országokat a Marcellus Jacobs által az 1920-as években építettekhez hasonló kis szélturbinákkal lássák el. Dánia, amely már most is Európa szélenergiájának 70-80 százalékát termeli, terveket dolgoz ki a szélturbinák gyártásának bővítésére. Az ezredfordulóra olyan szélturbináknak kell jönniük, amelyek megfelelően elhelyezettek, hatékonyak, tartósak és számosak.
– Rose Secrest