Miért pont három lapátjuk van a szélturbináknak?

2020. október 22. – 05:04

frissítve

Miért pont három lapátjuk van a szélturbináknak?
Szélturbinák 2020. május 10-én, Alsó-Szászország, Großenmeer – Fotó: Mohssen Assanimoghaddam/Getty Images

Másolás

Vágólapra másolva

Ha valakinek le kell rajzolnia egy szélturbinát, valószínűleg egy magas torony tetején forgó három kis lapátocskát skiccel fel (lusta activityzők ezt gyakorlatilag négy vonallal letudhatják). Pedig a szélenergiát elektromos áram előállítására használó szerkezetek egyáltalán nem mindig háromágú szélkerékkel felszerelt, hófehér, futurisztikus fémmonstrumok voltak.

Az első villamos energiát termelő szélturbina egy akkumulátortöltő gép volt, amelyet James Blyth skót akadémikus 1887 júliusában telepített, hogy megvilágítsa nyaralóját a skóciai Marykirkben. Az első automatikusan működtetett szélturbinát pedig néhány hónappal később, 1888-ban építette meg Charles F. Brush amerikai feltaláló. Brush 12 kilowattos teljesítményű, 17 méter átmérőjű szélturbinája fából készült, 144 lapátja volt, és húsz éven keresztül üzemelt.

Brush szélturbinája, melynek méretét jól érzékelteti a kép jobb alsó sarkában látható, épp füvet nyíró kertész Kép: Wikimedia Commons

Amerikában az 1900-as évek elején a nagy távolságok miatt kézenfekvő ötlet volt, hogy a városoktól távolabb eső területeket, amiket túl költséges lett volna rákötni a nagy erőművek villamos hálózatára, szélturbinák lássák el elektromossággal. Az 1930-as évekig az amerikai vidék jelentős részén kizárólag szélturbinák termeltek áramot, de ezek még egyáltalán nem úgy néztek ki, mint a maiak, például háromnál sokkal több lapátjuk volt. Többek között épp ezért nem voltak túl hatékonyak, így az ötvenes években, amikorra már majdnem mindenhol kiépítették az USA-ban az elektromos hálózatot, háttérbe szorult a használatuk.

A háromlapátos szélturbinák a 20. században jelentek meg, először Dániában. Ezek aztán hatékonyságuknak köszönhetően egyre inkább elterjedtek a világban (a nyolcvanas évek közepén, az állami támogatás miatt felfutó kaliforniai szélerőműfarm-telepítések során például a gépek fele Dániából származott). A 21. századra, mire a szélenergia hasznosítása mint a fosszilis energiaforrások fenntartható és megújuló alternatívája, nagyon népszerű lett világszerte, már a háromágú szélkerekek látványával azonosították az emberek a szélturbinákat. Na de miért pont három a mágikus szám?

Hatékonyság vs. stabilitás

A szélturbinák működési elve egyszerű: a szél meghajtja a repülőgépszárny-profilúra tervezett lapátokat, amelyek aztán a forgó mozgásból generálnak elektromos áramot. Egy ideálisan működő szélkeréknek úgy a lehető legnagyobb az energiahozama, hogy közben a lehető legstabilabb és a lehető legtartósabban működőképes, lehetőleg minél halkabban. Ebből adódik, hogy a legkisebb lapátszám a legjobb: minél kevesebb lapátot kell megforgatnia a szélnek, annál nagyobb az energiahozam. Viszont a szélkerék kiegyensúlyozása miatt szükség van több lapátra, ez növeli a szerkezet stabilitását.

A titok nyitja tehát egy tervezési kompromisszumban rejlik: a túl sok lapát lelassítja, a túl kevés viszont instabillá teszi a szélturbinát.

Ha az energiahozam felől közelítjük meg a dolgot, az látszik, hogy három lapáttal már elég stabil tud lenni a szélturbinák dizájnja ahhoz, hogy ennél többre ne legyen szükség. Ebből a szempontból tulajdonképpen az az érdekes, hogy mit lehet tudni a háromnál kevesebb lapáttal megtervezett szélturbinákról.

A kétlapátos szélturbinák tervezésével kifejezetten sokat kísérleteznek, főleg azokon a szélfarmokon, amelyeket nem szárazföldre, hanem vízre telepítenek, ezeket ugyanis a vízen összeszerelés helyett általában már összeállítva szállítják oda, ahol végül üzembe helyezik. A kétlapátos szélkerekeknek a nagyobb hatékonyság mellett az is az előnyük lehet a háromlapátos modellekhez képest, hogy kisebb az alapanyagigényük, és könnyebbek is. Ez olcsóbbá teszi nemcsak az előállításukat, hanem a telepítésüket is.

A rotorjuk ráadásul elég könnyű tud lenni ahhoz, hogy a hagyományos szélturbinákkal ellentétben ne szemből, hanem hátulról kapják a szelet. A háromlapátos szélkerekek rotorjai jellemzően a széllel szembe fordulnak, emiatt ellen kell állniuk annak, hogy a szél megdöntse őket. A kétlapátos szélturbinák viszont olyan könnyű, zsanéros lapátokat tudnak használni, amik elhajlanak a nagy széllökések elől. A kétlapátos turbinák hátránya, hogy mivel a lapátok gyorsabban tudnak forogni, hangosabb is a működésük (ez is az oka annak, hogy elsősorban vízi szélfarmokra tervezik őket, ahol ez senkit nem zavar). A legnagyobb probléma azonban az, hogy bizonyos szélviszonyok között a hajlékony lapátok visszahajolhatnak és a turbina tornyának ütközhetnek.

Meglepő, de lehetséges egyetlen lapáttal is működőképes szélturbinát csinálni. Amerikai kutatók a kétezres évek elején sikeresen megépítették egy ilyen turbina prototípusát. Az egylapátos szerkezet alacsony szélsebességnél hatékonyabb is volt, mint a hasonló méretű, többlapátos turbinák. Ez az előny ugyanakkor erősebb szélben a elveszett, egyszerűen azért, mert az egész szerkezet aszimmetrikus és emiatt instabil.

Ha bárki azt hitte volna, hogy egy lapát után már nincs hová fokozni: létezik már olyan szélerőmű is, amelynek egyetlen lapátja sincs. Ezt persze szélkeréknek már nem lehet nevezni, hiszen a hagyományos szélkerekek mind ugyanazon az elven működnek: forgó mozgásból generálnak elektromos áramot. A lapát nélküli szélerőmű ehelyett az aerodinamikában örvénydiffúzióként ismert jelenség segítségével termel elektromosságot.

Ahogy az a videóban látszik, a szélkerék nélküli szélturbina egy magas, erős, de rugalmas oszlopszerkezet, ami a szél hatására rezgő mozgást végez, és ezt alakítja elektromos energiává az oszlop lábánál elhelyezett, ellentétes pólusú mágnesek segítségével. Az egyik ilyen örvénydiffúziós technológiát használó szélerőmű gyártója azt állítja, hogy a lapát nélküli szélturbináik a szélkerekeknél lényegesen olcsóbbak, ugyanakkor hosszabb az élettartamuk.

Addig mindenesetre, amíg a szélenergia hasznosításának legelterjedtebb módja a szélkerekek alkalmazása, a szélturbinák tervezőinek továbbra is azt a problémát kell megoldaniuk, hogy hogyan lehet a lehető legkevesebb lapáttal stabilan és relatíve halkan működtetni ezeket a szerkezeteket. Erre pedig – egyelőre – a három lapát a mérnökök válasza.

Felhasznált források: Interesting Engineering, MIT Technology Review