Hogyan termel áramot egy szélturbina?

Valahányszor elhaladok egy külvárosi szélerőmű mellett, mindig sorokban látok "nagy szélmalmokat" lassan forogni - bár nem tűnnek szorosnak vagy lassúnak, több ezer háztartásba képesek áramot szállítani. Sok barátom kíváncsi: hogyan alakítják át ezek a széllel együtt forgó lapátok a láthatatlan szelet olyan elektromos árammá, amelyet felhasználhatunk? Ma, közérthetően fogalmazva, végigvezetünk a szélenergia-termelés "energiaátalakítási technikáján".

Valójában a szélenergia-termelés alapvető logikája olyan, mint egy „energiaváltó verseny”: először meg kell ragadni a szél „mozgási energiáját”, majd mechanikai „forgatóerővé” kell alakítani, végül pedig „elektromos energiává”, amely képes meggyújtani egy villanykörtét. Az egész folyamat három lépésre oszlik, amelyek mindegyikéhez elkötelezett „szereplők” járulnak hozzá erőfeszítéseikkel.

Az első lépés a lapátokra hagyatkozni, hogy „elkapják a szelet”: a szélenergiát forgóerővé alakítani. Maga a szél áramló levegő láthatatlan „mozgási energiával” – ahogy az erős szél elfújja a lehullott leveleket és meghajtja a vitorlásokat, ez az erő a szélturbina lapátjait is meghajtja. A lapát azonban nem véletlenül lett megtervezve. Alakja nagyon hasonlít egy repülőgép szárnyához, egyik oldala domború, a másik lapos: amikor fúj a szél, a domború felületen a levegő áramlási sebessége nagy és a nyomás alacsony, míg a konkáv felületen a levegő áramlási sebessége lassú és a nyomás magas. Ez a nyomáskülönbség „felhajtóerőt” hoz létre, mint egy láthatatlan kéz, amely a lapátot a központi tengely körül forogásra kényszeríti. Ebben a pillanatban a szél mozgási energiája mechanikai energiává válik a lapátok forgatásához, és az „energiaváltó verseny” első szakasza biztosítottá vált.

A második lépés egy gyorsító használata a „gyorsításhoz”: a forgóerő „erőssé” tétele. Lehet, hogy nem vetted észre, de a lapátok valójában elég lassan forognak – általában csak 10-20 fordulat/perc sebességgel, és ilyen alacsony sebesség nem tudja meghajtani a generátort. Ezen a ponton egy „erősítőre” (más néven sebességváltóra) van szükség a mező megmentéséhez: ez olyan, mint egy sor precíziós „teljesítményerősítő”, amelyek különböző méretű fogaskerekeket használnak, hogy a lapátok által közvetített alacsony sebességű forgást körülbelül 1500 fordulat/perc sebességre „felemeljék”. Csakúgy, mint a kerékpározás közbeni sebességváltásnál, a pedál enyhe lenyomása is gyorsabbá teheti a kerekeket. A gyorsító „magas fokozatba” kapcsolja a szélerőmű-rendszert, hogy elegendő energiát halmozzon fel a következő lépéshez, az áramtermeléshez.

A harmadik lépés egy generátor használata a forgóerő elektromos energiává „átalakítására”. Ehhez a lépéshez az „elektromágneses indukció” elvének alkalmazására van szükség, amelyet a középiskolában tanultunk – egyszerűen fogalmazva, a „dinamikus mágnesesség elektromosságot termel”. A sebességcsökkentő nagy sebességgel forgatja a generátorban lévő (mágnesekkel felszerelt) „rotort”, miközben a rézhuzallal tekercselt „sztátor” szintén a generátor belsejében van rögzítve. Amikor a rotor mágnese az állórész körül forog, elvágja a mágneses mezőt az állórész tekercsében, ami egyenértékű egy „pálya építésével” az elektronok számára, lehetővé téve számukra, hogy irányítottan áramoljanak a rézhuzalban – így áram keletkezik!

A keletkezett áram azonban nem használható fel közvetlenül. Számos folyamaton kell átesnie, például „egyenirányításon” és „feszültségstabilizáláson”, hogy a hálózati szabványoknak megfelelő váltakozó árammá alakítsák. Ezután távvezetékeken keresztül az alállomásokba továbbítják, mielőtt végül elérné otthonainkat és irodáinkat, felkapcsolná a lámpákat és meghajtaná az elektromos készülékeket.

Látja, a lapátokat érő széltől kezdve az izzót megvilágító elektromos áramig az egész folyamat olyan, mint egy összekapcsolódó „energiavarázslat” – nincs fekete füst a szén elégetéséből, nincs nem megújuló erőforrások fogyasztása, és csak a természet szele képes arra, hogy a „nagy szélturbina” végtelen mennyiségű tiszta áramot termeljen. Amikor legközelebb egy szélerőmű lapátjait látja forogni, talán eszébe jut, hogy minden fordulat csodálatos átalakulás a szélenergiából az elektromos energiává.