Még napjainkban is számtalan olyan hely van, melyet a villamos hálózat nem ér el, így áramellátás hiányában sokan nélkülözik a mások által megszokott komfort érzetet.
Az ilyen tájakon néha az egyetlen megoldás az, hogy helyben állítsuk elő az energiát a költségesebb hálózat kiépítése helyett. Az autonóm energiaellátást szélenergiából, napenergiából is de leginkább ezek együttesének felhasználásával tudjuk megoldani.
Más, egyébként elektromos hálózattal rendelkező területeken is jó hasznát vehetjük a szélmotoroknak, napelemeknek. Kiegészítő áramforrásként, áramkimaradás esetén vagy egyes berendezések önálló ellátására kiválóan alkalmazhatjuk azokat.
A szélgenerátoros, napelemes hibrid áramellátás alkalmazásának csak a fantázia szab határt. Az energiatudatos, takarékos szemlélet kialakulásához vezető út eszköze is lehet az ilyen típusú áramtermelés. A szigetüzemben működő rendszerek esetén az átalakított energiát akkumulátorokban tárolhatjuk és azt egy későbbi időpontban is felhasználhatjuk igényünk szerint. A szélkerék méretek különböző teljesítmény-kategóriában választhatók, a napelemekből pedig modulonként kisebb-nagyobb rendszerek építhetők fel.
Az ideális megoldások és kombinációk
A szélgenerátorok és napelemek jól kiegészítik egymást az áramtermelésben. A folyamatos energiatermeléshez érdemes mindkét eszközt optimális arányban alkalmazni.
A rendszer kiegészíthető vízenergia hasznosító eszközzel vagy aggregátorral is.
A szélenergia használatának előnyei
Ingyen áll mindenki rendelkezésére
Folyamatosan megújul
Környezetkímélő
A szélenergiával működő berendezések hosszú időn át, automatikusan üzemelnek
A szélenergiát felhasználhatjuk
Áramtermelésre
Elszigetelt területek villamosítására
Családi házak, víkendházak teljes vagy kiegészítő áramellátására
Hajókon áramtermelésre
Ipari méretű energiatermelésre
Magyarországon és más tájakon is elmondhatjuk, hogy több fajta megnyilvánulását érzékelhetjük a megújuló energiáknak. Nálunk is van gazdaságosan kinyerhető szélenergia, bár önmagában erre alapozni nagyon kockázatos. Amikor nem fúj a szél, nem tudunk energiát nyerni ily módon. Így hiába a viszonylag jó hatásfokú berendezés, nem leszünk elégedettek.
Mindebből az következik, hogy érdemes kiegészítenünk rendszerünket, pl. napelemekkel, melyek viszont gyengébb hatásfokúak, de az átlagos hazai napsütéses órák miatt (2.000 óra) használatuk szintén indokolt, gyengébb hatásfokuk mellett is. Ebben az esetben a berendezések oly módon is kiegészítik egymást, hogy a nap energiáját kizárólag nappal és sűrűbben nyári időszakokban tudjuk élvezni, míg a szél energiája ennek ellentétes időszakaiban valószínűbb.
Helyi viszonyok lehetővé tehetik egyéb berendezések rendszerbe kapcsolását is. Egyes helyeken rendelkezésre állhat kihasználható vízenergia forrás is. Kiszámíthatóbb áramtermelést biztosít egy vízturbinával is kiegészített hibrid áramtermelő rendszer.
További lehetőség a folyamatosság biztosítására az, ha egy aggregátor is a rendszerünk elemét képezi. Bár ez az eszköz nem feltétlenül megújuló "üzemanyagot" használ, mégis időközönként jó szolgálatot tehet.
Az energia tárolása és felhasználása
Egy bizonyos nagyságrendű energiaellátásnál, amikor nincs lehetőség vezetékes áramellátást biztosítani, általában külön kell választanunk az energianyerés és felhasználás időszakait. Ez konkrétan azt jelenti, hogy az eszközeink (szélgenerátor, napelem, stb.) esetenként különböző időszakokban dolgoznak, míg a fogyasztó berendezéseinket szintén más és más időszakokban használjuk. Ennek következménye, hogy időszakonként az energia tárolására van szükség. Ezt jellemzően akkumulátorokkal (akkumulátorbank) tehetjük. Az ilyen rendszerbe beépített akkumulátorok, speciális akkumulátorok, tehát nem autó akkumulátorok, hanem un. szolár akkumulátorok. Ezekre jellemző, hogy jól tűrik a sokszori kisütést és feltöltést, tehát sokszor ciklizálhatóak, mélykisütésre kevésbé érzékenyek. Élettartamuk napjainkban akár 7-10 évig is terjed és viszonylag kevés karbantartást igényelnek.
Az akkumulátorok beépítésének előnyeként említhető, hogy amíg eszközeink termelnek, ezt automatikusan tehetik, így tölthetik az akkumulátorokat. Amikor bekapcsoljuk a fogyasztóinkat (pl. este a lámpát) akkor nem maradunk energia nélkül. Ez optimálisan egy körfolyamatot ad. Természetesen egyéni igények szerint lehetőség van az áthidalási időszak megnyújtására is.
Az akkumulátor technológia fejlesztése és egyéb új energiatároló berendezések fejlesztése (pl. tüzelőanyag cella) a jövőben egyre jobb lehetőséget ad az energia tárolására.
A szélerőgépek telepítésének szabályai
Bármely szélerőgép/szélerőmű telepítés első fázisa a hely kijelölése. A cél a legjobb széljárású helyszín meghatározása, figyelembe véve a lehetséges műszaki-gazdasági korlátokat is.
A lehetséges helyszínek kiválasztásához a széltérképek, ennek hiányában a közeleső mérőhelyek széladatbázisai (pl. meteorológiai, repülőtéri, mezőgazdasági mérőhelyek adatai) nyújthatnak támpontot. Energetikai szempontból azok a helyszínek ígéretesek, ahol a telepítés tervezett magasságában a várható évi átlagos szélsebesség legalább 6 m/s.
A szélerőgépek élettartama is véges, a gyártók általában 20-25 évre tervezik a berendezéseket.
A szél mérése
A szél energiájának és irányának mérésére némely esetben feltétlenül szükség van.
Erre leginkább a szélerőművek telepítését megelőzően kerül sor. Egy-egy szélerőmű vagy szélfarm elhelyezésénél fontos szempont az, hogy mekkora a kinyerhető szélenergia, mert ehhez komoly gazdasági érdekek fűződnek.
A szélmérés egyik változata, amikor egy hosszabb időszakon keresztül, szélmérő tornyokra telepített anemométerekkel vizsgálják a szelet. Ez a szélmérő eszköz az adatokat egy tároló egységben összegzi, majd ezt szakemberek értékelik a számítógépes elemzés során.
Egy másik megoldást jelent az un. szoftveres szimulációs módszer, melynél a már előre bemért értékek segítségével más magasságokban és helyeken is nagy közelítéssel prognosztizálható az ott jellemző energiatartalom.
Napjainkban mindkét módszert előszeretettel alkalmazzák. Utóbbi szoftveres szimuláció Magyarország területére is elkészült, így előzetes tájékoztatást nyújthat a szélenergia iparágba befektetni szándékozóknak.
Szélmérést ott is érdemes végezni, ahol nem ipari méretű a szélenergia felhasználás.
Kisebb, háztartási méretű szélturbinás áramtermelés előzetes vizsgálatára is érdemes szelet mérni. Bár a meteorológiai állomásokon is végeznek szélmérést, ez a telepítés helyétől távol eshet, így eltérő eredményt mutathat. Szélmérést több időszakban és hosszabb időszakon át is érdemes végezni.
Más céllal, inkább jelző és figyelmeztető jelleggel, leginkább országutak, autópályák mellé telepítenek szélzsákokat, melyek az autóvezetők figyelmét hívják fel a széllökésekre, szélnyomásra.
Kis magasságokban jellemző szélviszonyok
Az alábbi diagramm a szélirányok eloszlásait mutatják 2003. szeptember- december között Budapest területén egy 10 méteres magasan elhelyezett szélmérő berendezés mérési adatai alapján.
A méréseket később több időszakban és helyen is regisztráltuk, amiből megállapíthattuk, hogy a hazánkra jellemző általános szélirány gyakoriság, egy-egy városra is jellemző lehet. Helyi eltéréseket természetesen okozhatnak a helyi speciális domborzati viszonyok vagy tereptárgyak. Konkrét esetekben ez a megállapítás természetesen nem helyettesítheti a szélirány és sebesség mérését.
Szélerőgépek telepítése
A különböző szélerőgépeket, szélmotorokat, teljesítményüknek megfelelő magasságokba érdemes telepíteni. Mivel a jellemző szélviszonyok, csak meghatározott magasságokban értelmezhetőek, így a szélkerekekhez is javasolnak ideális telepítési magasságokat. Ezt a javaslatot tehát érdemes megfogadni annak érdekében, hogy így a megfelelő energiatermelést biztosíthassuk. A példa kedvéért egy 1000 Watt névleges teljesítményű szélgenerátor ideális elhelyezési magasságát legalább 15 méterben jelölik a gyártók. Ez alatt a magasság alatt elhelyezve a szélgenerátortól ritkán várható ideális áramtermelés, mert ott még viszonylag sok turbulens fékező hatás lassítja, téríti el a szelet a munkavégző hatásától.
Természetesen az ideális magasságok fölötti elhelyezésnek pozitív szerepe lehet a szélenergia hasznosításban. A megfelelő magasságú elhelyezést, gazdasági és technikai korlátok szerint érdemes optimalizálni.
Az általános rendelkezések szerint a szabadon álló szélkerék esetében 6 méter magasságig kevesebb előírással találkozunk, ugyanez igaz az épületre szerelt szélkerék esetében is, ahol elvileg 3 méterrel túlnyúlhatunk a ház tetőgerincén.
Ezekben a magasságokban viszont csak kisebb teljesítményű szélkerék tud optimálisan dolgozni.
Szélkerék állványok, állványrendszerek
Egyszerűbb esetekben, háztartási alkalmazásoknál és kisebb magasságokban leginkább csőállványokat célszerű alkalmazni. Ezzel a módszerrel megcélozhatjuk akár a 20 méter körüli telepítési magasságot is. A szerelés történhet a földön is, majd az oszlopot és a rászerelt egységet különböző módszerekkel emelhetjük a helyére. Daru vagy állvány segítségével a felállított oszlop rögzítése után is a helyére szerelhetjük a szélturbinát. Hasonló megoldást alkalmaznak az ipari méretű berendezések telepítése esetén is, de háztartási méreteknél is ez célravezető a módszer. Nagy gyakorlat és pontos számítások szükségesek az ilyen telepítéseknél, ezért ezt érdemes szakemberre bízni.
További lehetőséget jelent a rácsos acélszerkezetű állványok használata. A vízhúzó szélkerekek legtöbbször ilyen állványokra kerülnek fel. Az ilyen típusú állványnak is vannak előnyei és hátrányai. Vélhetően nagyobb költséget jelent egy ilyen hegesztett és/vagy csavarozott állvány, a helyszínre szállítása is nehézkesebb lehet, viszont nagyobb teherbírást, stabilitást eredményezhet.
Az ipari szélerőműveket napjainkban kúpos kiképzésű hatalmas csőállványokra telepítik. Ez lehetővé teszi akár a 100 méteres magasságú elhelyezést is. Korábban használtak rácsos állványokat, beton oszlopokat is hasonló célokra.
A szélgenerátorok felépítése, szerkezete
A különböző célra kifejlesztett szélerőgépek felhasználási céljuknak megfelelően kerülnek kialakításra. A legegyszerűbb mechanikus szerkezetekkel vízszivattyúzás valósítható meg. Ebben az esetben a soklapátos, nagy felületű kialakítás használatos. Kis szélsebesség esetén is működő, nagy nyomatékigényű szerkezetek működtetésére alkalmas a berendezés. A nagyobb szélsebesség itt kártékony lehet, ezért az ilyen típusok önműködően "állnak ki" a szélből, egyszerű mechanikus elvű segéd-szerkezetekkel. A vízhúzó szélkerekek rotorjait tehát sok lapát, nagy felület és kis gyorsjárási tényező jellemzi.
Az áramtermelésben alkalmazott rotorok általában 1-2-3 lapátos, nagyobb sebességű, gyorsjárási tényezőjű megoldások. A lapátok tervezésénél a szárny profilra jellemző aerodinamikai jellemzőket veszik alapul. Alkalmazkodni kell a beépített generátor optimális üzemelési paramétereihez is. Generátorként leginkább speciálisan ilyen alkalmazási célra fejlesztett állandó mágneses, sokpólusú generátorokat alkalmaznak. Ezek egyedi fejlesztések eredményei, az alkalmazási terület igénye szerinti optimális paraméterekkel.
Kézenfekvő lenne, hogy az autóiparban használatos és nagy sorozatban gyártott, ezért olcsóbb generátorokat alkalmazzuk szélgenerátor alkotóelemeként. Ez a módszer viszont több, itt fel nem sorolt okból következően nem ad optimális eredményt, ezért a gyártók sem alkalmazzák.
Ipari jellegű szélerőművekben is megtalálhatóak az állandó mágneses speciális generátorok, melyek gyártása magas szintű technológiai hátteret feltételez.
Az áramtermelő szélerőgépek, szélmotorok esetében is van egy működési sebesség-tartomány. E sebességtartományok felett szükség van arra, hogy ezeket a berendezések megvédjék a viharkároktól. Az alkalmazott fékező megoldások között szerepel a generátor rövidzár, az érzékelő és vezérlő automatika, a mechanikus fék, valamint egyéb technikai variációk is.
Szélerőművek, szélparkok
Az ipari méretű szélerőművek használatával kapcsolatos kezdeményezések és fejlesztések nagy múltra tekintenek vissza. A fejlesztés jelenleg már az 5 Megawattos kategóriát közelíti az egy szélerőmű teljesítményét illetően. Az ideális szélviszonyú területekre sok gépből álló szélparkokat, szélfarmokat telepítenek, így a teljesítmények összeadódnak. Egyes tengerparttal rendelkező országok energiaellátásában a szélerőmű telepek döntő hangsúllyal szerepelnek. A szárazföldi éghajlatú térségek is eredményesen alkalmazhatják megfelelő területeken e berendezéseket, kellő körültekintés és széladatokkal igazolt előzetes felmérés után.
A beépíthető kapacitást korlátozhatja a már meglévő villamos hálózat kiépítettségének foka, forgalma és az adott ország villamos rendszerirányításának fejlettsége és tűrőképessége.
Természetesen, amikor a szélerőművek szél hiányában nem termelnek áramot, a villamos rendszerirányítóra hárul a szabályozási feladat, hogy a termelés kiesést ellensúlyozni tudja vagy a szélerőművek áramtermelésének újraindulása esetén, szintén beavatkozzon.
A szélerőművet üzemeltetőkre sokszor szinte megoldhatatlan feladatként hárul az előre megadott menetrend betartása, amely szélfüggő, és mint ilyen nehezen prognosztizálható.
A kiszámíthatatlan áramtermelési periódusok áthidalására, az ipari méretű energiatárolás is lehetőséget adhat, amely viszont nagy beruházási költségeket vonz magával.
A szélenergia kialakulása
A szélenergia a nap energiájából származó megújuló energiaforrás. A földfelszínt érő napsugárzás erőssége nem mindenütt egyforma. Ez egyrészt a földrajzi szélességtől függ, mivel a különböző földrajzi szélességeken a napsugárzás beesési szöge eltérő. Függ továbbá a napsugárzás erőssége az évszaktól és attól is, hogy az adott területen az égbolt derült-e vagy borult.
Ezért a Föld különböző részein különféleképpen melegszik fel a talaj. A felmelegedés mértéke adott földrajzi szélességen, adott időpontban, még azonos napállás esetén is - a talaj szerkezetétől függően - eltérő lehet. A hőmérséklet különbségek következtében a levegő sűrűségében és nyomásában is különbség keletkezik. A nyomáskülönbség hatására a légkörben áramlás indul meg, s ez mindaddig tart, amíg a hőmérséklet különbség - s ezzel természetesen a sűrűség- és nyomáskülönbség is - nem egyenlítődnek ki. Így jönnek létre Földünkön a szelek.
A különböző sebességgel áramló levegő mozgási energiájánál fogva munkavégzésre fogható. Ez a munkavégző képesség azonban nem közvetlenül a kinetikus energiával, vagyis az áramló légtömegek sebességének négyzetével, hanem a sebesség harmadik hatványával arányos. Az erőművek hatásfoka ezért oly rendkívül érzékeny a szélsebesség változásra. A szélenergia felhasználásával kapcsolatos másik probléma azzal függ össze, hogy a
szeleknek nemcsak sebessége, hanem iránya is változik.
A szelek földrajzi eredete
Corioli-erő
A szelek áramlása a nagyobb nyomású hely felől a kisebb nyomású felé irányul. A Föld forgása következtében ez az áramlás az egyenestől eltér. Ez a módosult áramlás az északi és a déli földrészen ellentétes áramlás-módosulást mutat. Az északi földtekén az északi áramlásból északkeleti, keleti, a déli áramlatból délnyugati, nyugati áramlás jön létre. A déli földtekén az északi szélből északnyugati, nyugati; a déli szélből délkeleti, keleti áramlás alakul ki.
Mindez tehát a Föld forgásának és a Corioli-erő hatásának köszönhető, vagyis ha ez nem történne, akkor a magasabb hőmérsékletű és nyomású légtömegek a sarkvidékek irányába tartanának és a hidegebb, kisebb nyomásúak, pedig a felszínhez közel a sarkvidékek irányából az egyenlítő felé törekednének, számottevő kerülő nélkül.
Elnevezett szelek
A szelek közül néhányat külön is elneveztek, szembeötlő állandó tulajdonságaik miatt.
Ilyen, un. elnevezett helyi szelek és megjelenési helyeik a teljesség igénye nélkül a következők:
Nemere:
Erdélyben
Bóra:
a dalmát tengerparton
Főn:
az Alpok északi oldalán
Misztrál:
Franciaországban
Sirokkó:
az Adrián
Kossava:
az Al-Dunán
Hurrikán:
az Észak-Atlanti-óceán térségében
Tornádó:
Nyugat-Afrikában, Amerikában
Tájfun:
Nyugat-India térségében
Burán:
Belső-Ázsiában
Blizzard:
Észak-Amerikában
Helyi szelek
A helyi szelek az általános földi légkörzéstől függetlenül alakulnak ki. Viszonylag rövid időtartamúak és a helyi hőmérséklet-különbség hatására kiszámíthatatlan időközökben alakulnak ki. Néhány ilyen szélről elmondható, hogy rendszeresen visszatérő jelenség.
Néhány helyi szél és jellemzői:
Monszun szél: évszakosan ellentétes irányból fúj.
Passzát szél: a térítők felől az egyenlítő felé áramlik, heves záporokat, zivatarokat eredményez.
Hegy-völgy szél: Ellentétes hideg-meleg áramlás egy napon belül a hegycsúcs és a völgy között.
Tengerparti szél: Napszakokon belül változtatja irányát.
A szél, pusztító tevékenységei
Felszínformálás
A szél a kis szemcséjű anyagok szállítására is képes, nagyobb szelek már nagyobb tömegeket is megmozgatnak. A nagyobb tömegeket görgetve, a kisebbet ugráltatva, míg az egész kicsiket lebegtetve szállítja a szél.
Ez a pusztító és felszínformáló hatás addig tart, míg a kifúvás eléri a talajvíz szintjét. Ennek a szintnek az elérésével a pusztítás leáll.
A talajvíz szintjét elért pusztítás következtében források, tavak jelenhetnek meg. Az ilyen hatások következménye lehet az oázis.
A pusztítás, kifúvás következtében deflációs medencék, mélyedések és a keményebb kőzetből visszamaradt tanúhegyek keletkezhetnek.
A szélmarás koptató hatására egyes helyeken kőgombák, ingókövek, kőpiramisok keletkeznek.
A szél, építő tevékenységei
A szél által mozgásba lendített anyagok más helyekre vándorolva különböző formákat alkotva halmozódnak fel. A lassuló széláramlás szétteríti a homokot, így fodrok, leplek, dűnék és egyéb különböző alakzatok jönnek létre.
A szél és a vitorlázás
A szél energiájának felhasználása legkorábban talán a vitorlás hajók használatával kezdődött.
Ennek köszönhetően eleink nagyobb távolságokat tehettek meg és felfedezhettek addig ismeretlen tájakat. Az emberiség ismereteinek bővülésében tehát a szélnek is fontos szerepe volt.
A mai hobby vitorlásokon egyre többször láthatóak kisebb szélturbinák, így a szelet nemcsak a haladásra, hanem a helyi áramtermelésre is használják.
A szél erejének kifejezése
A Beaufort skála
A szélsebességek egyfajta praktikus besorolása a Beaufort skála. Ez lehetővé teszi, hogy a szelet érzékelő személy, műszerek nélkül is megközelítőleg megítélje, mekkora erejű szél fúj. A szél hatására jelentkező természeti megnyilvánulások viszonylag könnyen visszatükrözik annak erejét, ami megtanulható és könnyedén használható. A vitorlás sport kedvelői előszeretettel használják a beaufort skálát.
A Beaufort skála fokozatai:
0.
Teljes szélcsend: 0-0,2 m/s
Szárazföldön: A füst egyenesen száll, a fa levelei nem mozdulnak.
Vízen: A víz felülete tükörsima, a hajó nem kormányozható.
1.
Alig érezhető szellő: 0,3-1,5 m/s
Szárazföldön: A füst gyengén ingadozik a kisebb falevelek rezegnek
Vízen: A víz felületén apró fodrok.
2.
Könnyű szellő: 1,6-3,3 m/s
Szárazföldön: A füst erősen ingadozik, a fák leveleit a szellő mozgatja
Vízen: A vízfelület lapos, rövid hullámok futnak, a hajón a víz csobogása hallható.
3.
Gyenge szél: 3,4-5,4 m/s
Szárazföldön: A fák leveleit a szél erősen rázza, a levelek susogása hallható, a zászló lobog.
Vízen: Barázdált vízfelület, kialakult hullámvonalakkal, a vízen fehér tarajak, a hajó enyhén megdől
4.
Mérsékelt szél: 5,5-7,9 m/s
Szárazföldön: A fák vékony ágai enyhén mozognak, a zászló erősen lobog.
Vízen: Hosszú hullámrendszer alakul ki, a hajót már ki kell ülni.
5.
Élénk szél: 8-10,7 m/s
Szárazföldön: A fák kisebb ágai mozognak, a zászló szinte vízszintesen lobog.
Vízen: Hosszanti tarajos habzó hullámok, a hajó erősen megdől.
6.
Erős szél: 10,8-13,8 m/s
Szárazföldön: A fák nagyobb ágai is mozognak, levelek szakadnak le, a zászló vízszintesen lobog.
Vízen: A nagyobb hullámhegyek tarajai habosan átbuknak, a kötélzet fütyül, a hajót nehéz kiülni.
7.
Igen erős szél: 13,9-17,1 m/s
Szárazföldön: A gyenge fatörzsek is hajladoznak, kisebb ágak levelek leszakadnak, a zászló elszakad.
Vízen: A hullámok taraját a szél felkapja.
8.
Viharos szél: 17,2-20,7 m/s
Szárazföldön: Az erősebb fatörzsek is hajladoznak, ágak letörnek.
Vízen: Hosszú hullámhegyek, fodros hullámokkal. A vitorla elszakad.
9.
Vihar: 20,8-24,4 m/s
Szárazföldön: Gyengébb fák kidőlnek, a tetőcserepek lesodródnak.
Vízen: Az egész vízfelület porzik, kisebb hajók felborulnak.
10.
Szélvész: 24,5-28,4 m/s
Szárazföldön: Nagyobb fák is kitörnek. Tetőkben nagyobb károk keletkeznek.
Vízen: Porzik a víz felülete, a szél letépi és elfújja a tarajokat.
11.
Orkán: 28,5-32,6 m/s
Szárazföldön: A szél teljes erdőket dönt ki.
Vízen: Az egész víz felülete porzik, a szél letépi és elfújja a tarajokat.
12.
Tornádó: 32,7 - ..
Szárazföldön: A szél súlyos pusztításokat végez.
Vízen: Az egész víz felülete porzik, a szél letépi és elfújja a tarajokat.
