A szélturbinák története

1888 - 1988

A Brush gép (1888)

Charles F. Brush szélturbinája

Az első szélturbina egy olyan gépezet volt, ahol egy szélmalom egy generátort hajtott meg. Ezt a szerkezetet 1888-ban építette meg az amerikai Charles F. Brush, az ohió-i Cleveland-ben. A szerkezet egy 17 méter átmérőjű szélkerékből és egy jókora farokrészből állt. A tengelyre egy 1:50 áttételű fogaskerék hajtás csatlakozott, így a generátor jellemzően 500 rpm-mel került meghajtásra, és egyenáramot termelt.

A berendezés 20 éven keresztül egyfelől sikeresen demonstrálta, hogy a szélenergia alkalmas villamos energia előállítására, másfelől bizonyította, hogy a soktollas, hatalmas nagy tárcsás szerkezet nem a leghatékonyabb szélturbina. A Brush-gép teljesítménye 12 kW volt, egy mai, hasonló méretű turbina jellemzően 70-100 kW-ot termel.


1888, Charles F. Brush, szélturbina

Poul la Cour (1846-1908)

a Pour la Cour által épített szélturbina prototípusa

A dán Poul la Cour úr, akinek az eredeti szakmája meteorológus volt, építette meg az első szélturbinát, és hogy ez valóban működőképes is legyen, egy saját szélcsatornát is épített hozzá. A szélturbina által generált villamos áramot elektrolízisre használta, az így keletkező hidrogénnel pedig - akkoriban tanárként biztosította megélhetését - az iskola gázlámpáit működtette.

A terv alapvető hiányosságát a gáz nem megfelelő tisztasága okozta, ugyanis a hidrogén mellett felbukkanó oxigén robbanó elegyet képezett, így viszonylag sűrűn kellett az iskola ablakait újraüvegeztetni.

La Cour úr minden évben több évfolyamnak is szél-villamosságot oktatott az Askov népi főiskolán "Askov Folk High School".

A jobb oldali képen a prototípus látható, a kép 1897-ben készült. 1905-ben itt megalapították a Society Wind Electricans-t, melynek már ekkor is 356 tagja volt.

Itt alapították meg a világ első szélenergiával foglalkozó szaklapját, a "Wind Electricity"-t.

1918-ban minegy 120 dán járásban találhatók meg a szélturbinák, rotorjuk maximum 20 méteres volt, teljesítményük 20 kW-tól 35 kW-ig terjedt. Ezek a turbinák a teljes villamosenergia ellátás 3%-át fedték le akkoriban - ha fújt a szél.

A kis rendszerek úttörői

Régi és új
Fotó: Panoramio / Hochstenbach

Ezek a berendezések egyszerűen átalakított propellerekből és kis generátorokból álltak. A 20-as években jellemzően 1 - 3 kW villamos energiát termeltek, mely a világtól elzárt farmokon biztosították a hűtőkhöz, mosógépekhez, világításhoz és rádiókhoz az áramot. A probléma értelemszerűen abból adódott, hogy ezek a készülékek csak addig működhettek, amíg "jó" szél fújt.

Az USA-ban a Jacobs testvérek átal kifejlesztett három tollas, kb. 4 méter átmérőjű berendezések uralták a piacot, melyek közvetlenül kapcsolt egyenáramú generátort hajtottak meg. Teljesítményük 1,8 - 3 kW tartományban maradt, és az 1920 - 1960 évek között több tízezer darab kelt el belőlük.

Ennek az időszaknak egyfelől a nagy világválság (1930) majd az amerikai kormányzat erőltetett villamoshálózat fejlesztési programja vetett véget.

Ahogy csökkent az USA-ban a villamoshálózattól elzárt területek mérete, úgy terelődött át a felhasználás Afrikába és Ausztráliába, ahol mindmáig vannak olyan területek, ahol még jó ideig nem lehet villamos hálózat fejlesztésre számítani.

A Riisager turbina

Egy dán ács, Christian Riisager gondolt egy nagyot, és megépítette a Gedser turbina kicsinyített mását, generátorként elektromos motort alkalmazva, mellyel 22 kW névleges teljesítményt ért el, és a berendezés több alkatrészét autó alkatrészekkel pótolta ki. Berendezése mind a mai napig nagyon népszerű, és a nagyobb gyártókat is erre a piacra való belépésre inspirálta.

Nagyméretű szélturbinák

F.L. Smidth turbina
Fotó: © F.L.Smidth & Co. A/S

A nagy turbinák sorát az oroszországi Balaclava szélturbina nyitotta, melyet a Kaszpi-tenger partján építettek fel 1931-ben, és két éves működése alatt 200.000 kWh villamos energiát termelt.

A sort az Egyesült Államok, Dánia, Franciaország, Németország, és Nagy-Britannia folytatta, ahol 1935 és 1970 között több nagyméretű turbinát próbáltak ki, és ezek visszaigazolták a velük szemben támasztott elvárásokat.

Az F.L. Smidth turbinák

A 2. világháború alatt a dán gépipari vállalat, F.L Smidth, (ma cementgépgyártó) kezdte el gyártani a két- és háromtollas szélturbinákat.
Habár mindkét típust gyártották, csak a három tollas modellre ragadt rá a "Danish concept" elnevezés. Ezeknek a turbináknak a generátoraik csak egyenáramot (DC) tudtak előállítani.

Első váltóáramú szélturbina

Az első váltóáramú szélturbinát a dán Johannes Juul építette meg 1950-ben. Juul egyike volt azoknak a végzősöknek, akik 1904-ben tanulták Poul La Cour-tól a szélenergia tudományát.

Gedser szélturbina

Gedser turbina
Fotó: Flemming Hagensen

A 200 kW-os Gedser turbinát 1956-ban építette meg a dán Johannes Juul, a SEAS megbízásából a Gedser parton. A három tollas turbinának kissé ódivatú kinézetet kölcsönöznek a tollak közötti feszítőhevederek. A berendezés rendkívüli újításokkal írta be magát a történelembe: A turbina gondoláját egy elektromechanikus szerkezet forgatta, és egy aszinkron generátort tartalmazott. Itt alkalmazták először az un. Stall-kontrolt, egyfajta aerodinamikus vészféket, mely túl nagy erejű szélben a turbinát megóvja a túlpörgéstől.

stall-kontroll: a szárny profiljának speciális kialakítása, amely egy adott relatív szélsebesség felett a szélkerék sebesség és teljesítmény vesztésével jár.

Bővebben: Danish Wind Industry Association: Stall

Alapvetően ennek a turbinának a mintájára építik fel a mai utódokat is. Ez a turbina volt a maga idejében a legnagyobb, és 11 éven keresztül működött karbantartás nélkül.

Ennek a turbinának a terveit vette alapul 1975-ben a NASA, amikor megindították az amerikai szélenergia programot.
A hosszas kisérletek után a turbinát lebontottták, de a rotor és turbina ma is megtekinthető a Elektronikai Múzeumban, a dán Bjerringbro-ban.

 


Az energia-krízis időszaka

A világot sokként érte az energia-krízis 1973-ban, mely felgyorsította a megújuló energiák alkalmazását is. Világszerte fejlesztések indultak a szélenergia hatékony hasznosítására, így Németországban a GROWIAN (100 méteres átmérő, 3 MW teljesítmény), Svédországban a WTS 3 (78 m, 3 MW) és az AEOLUS WTS 7 (75 m, 2 MW), az USA-ban a BOEING MOD-2 (91 m, 2,5 MW) indult a versenyben. Ez a kísérletezés időszaka volt, egyik berendezés sem volt alkalmas a folyamatos üzemre. Ezeket a berendezéseket később elbontották, különösebb kihatásuk nem volt a későbbi fejlesztésekre.

A "dán vonal"

Tvind-Mühle

A dán partokon Nordjütland-nál, a Gedser turbina mintájára építették fel a két közepes méretű turbinát, mindkettőt 40 m átmérővel és 630 kW névleges teljesítménnyel. a NIBE A-t a Gedser-hez hasonlóan stall-kontrollal szerelték, míg a NIBE B-nél az újonnan kifejleszett pitch-kontrollt vetették be.

Pitch-kontroll: szárnylapátszög állító mechanizmus
A pitch mechanizmussal szerelt szélturbinákban egy - a lapátkerék agyban található - mechanizmus állítja a szárnylapátok állásszögét a lapát hossztengelye körüli elforgatásával. Az állásszög, és ezzel együtt a lapátokon keletkező felhajtóerő így a szélsebességtől függetlenül szabályozható.

Az itt nyert tapasztalatok alapján 1988-ban az Elsam (villamos szolgáltató) a Tvind-Mühle berendezésével elérte a 2 MW névleges teljesítményt. A berendezés a Tvind iskola tanulóinak és tanárainak a közreműködésével épült fel, és a környezetbarát energiatermelés egyik szimbólumává vált.


felhasznált források

Dr. Tóth László, Schrempf Norbert, Tóth Gábor: A villamos szélerőgépek működése

Bundesverband Windenergie e.V.: Physik der Windenergie

Danish Wind Industry Association

license

Creative Commons License
Erre a dokumentumra a Creative Commons-Lizenz 3.0 szabályai érvényesek.
A dokumentum továbbfelhasználása engedélyhez kötött. Részleteiben is csak forrásmegjelöléssel
(pl: forrás:wwww.ob121.com) használható.
Engedélykérés, további információ: mail kukac ob121.com