Több mint hatvan évvel ezelőtt M. Andreau szabadalma alapján Dél-Angliában 100 kW-os kísérleti szélgépet építettek pneumatikus erőátvitellel. Az Engineering 1955. márciusi számában megjelent cikk ismerteti a gépet és a vele szerzett tapasztalatokat.
A hagyományos áramtermelő szélgépekben a szélkerék mechanikus kapcsolattal forgatja a generátort. A pneumatikus erőátvitelű szélgépben a szélkerék szabadon forog. A szélkerék lapátjai, a fej és az oszlop zárt, folyamatos csatornát képeznek. A csatorna az oszlop alján levegőbe lépő nyílásokkal kezdődik és a lapátok végén a menetiránynak háttal álló levegőkilépő nyílásokban végződik. A csatornában légturbina van, és ahhoz generátor csatlakozik. Amikor a szél a kereket forgatja, akkor a kilépőnyílások mellett áramló levegő kiszívja a levegőt a nyílásból. Ez a szívás mozgatja a levegőt a csatornában, a belül áramló levegő forgatja a turbinát és a generátort. A gép működése közben mérték a szélsebességet és a leadott villamos teljesítményt.
A cikk másolata megtalálható a www.windtransformer.eu című honlapomon. Ugyanitt mutatom be a már elkészült kísérleti gépem, a tervezett következőt, a témához kapcsolódó találmányaimat és ismertető leírásokat.
A továbbiak érthetőbbek, ha megismerik honlapomat.
Úgy húsz évvel a cikk megjelenése után egy magyar szakkönyvből ismertem meg a pneumatikus szélgépet és azt a döntést, hogy a megépítés és kipróbálás után a pneumatikus működési módot elvetették, mert az új gép a szél energiájának csak 14,5 százalékát alakította villamos energiává, a hagyományos, mechanikus erőátvitelűek pedig ennek dupláját.
A gép először felismert hibája az volt, hogy a lapát végén a menetiránynak háttal álló nyílás gyenge szívószerkezet.
Úgy gondoltam, tudok ennél hatékonyabb szívóidomot készíteni, ezért elhatároztam, hogy megjavítom a hagyományostól nagyon különböző szerkezetű és sok előnyt ígérő szélgépet. 2001. szeptember 20-án szabadalmat kértem a „Szélgép pneumatikus erőátvitellel” című találmányomra. A magyar hivatal a szabadalmat később, 224 256 lajstromszámon megadta. Közben két méter átmérőjű kísérleti szélgépet készítettem a szabadalmi leírás 1. ábrája alapján. Az új géppel sikerült a szél teljesítményének 26-28 százalékát belső pneumatikus teljesítménnyé alakítani. E számok szerint a fejlesztés iránya jó.
A második felismert hiba az, hogy a pneumatikus erőátvivő rendszerben a veszteség nagy szélsebességnél aránytalanul nagy.
A hiba oka az, hogy a pneumatikus rendszerben a veszteség a levegő áramlási ellenállásából származik, ami a sebesség négyzetével arányosan növekszik. Ezzel szemben a mechanikus erőátvitelű rendszerben a veszteség zöme a szilárd felületek között fellépő súrlódó erőből ered, aminek nagysága a megindulás előtt nagy, indulás után csökken, majd a sebességgel nem változik.
A különbözőség következménye az, hogy a nagy, hajtóműves szélgépek nem indulnak el maguktól, hanem külső energiával kell azokat indítani, 5 m/s körüli szélsebességnél, és ettől kezdve a veszteség a szélsebességgel lassan nő.
A pneumatikus erőátvitelű gépek viszont kis sebességű széltől elindulnak és a veszteségük a szélsebességgel kezdetben lassan, majd egyre gyorsulva növekszik. A pneumatikus rendszer tehát kis szélsebességnél jobb, mint a mechanikus, és a nagy szélsebességnél tapasztalt nagy veszteség az áramlási ellenállás csökkentésével mérsékelhető.
Ebből a szempontból a szélkerék lapátja a kritikus elem, mivel ennek két feladata is van, és a két feladat jó ellátásához különböző méretű lapát lenne optimális.
Az egyik feladat az, hogy a lapát a kereket forgatja, a másik, hogy a levegőt a kerék agyától a lapát végén levő kilépőnyíláshoz vezeti. Az első feladathoz kis keresztmetszetű lapát kellene, mert annak a külső felületén lenne kicsi az áramlási veszteség, a második feladathoz nagy keresztmetszetű lapát jobb lenne, mert annak a belső felületén kicsi a veszteség.
A kettős feladat miatt tehát a két veszteség összegét kell minimalizálni.
A nagy sebességnél gyorsan növekvő áramlási ellenállás csökkentésére jó megoldást kínál a 2012. december 14-én bejelentett és P1200735 ügyiratszámon nyilvántartott „Szélkerék pneumatikus erőátvitelű szélgéphez” című találmányom.
Az új szélkerékre jellemző, hogy azon a kilépőnyílás nem a lapát végén, hanem annak a fele környékén van. Így a lapát három szakaszból áll. A kerék agyához csatlakozó első szakasz egyben rövid, de bő légvezető csatorna. Az ehhez csatlakozó második szakasz üreges szívóidom, levegőkilépő nyílással. A harmadik szakasz karcsú, jó lapát.
Soron következő feladatunk a lapátok átalakítása a második szabadalom szerint és az elképzelés bizonyítása mérési eredményekkel.
A harmadik felismert hiba az, hogy a belső áramlást hasznosító légturbinához szinkrongenerátort kapcsoltak és csak a hálózatra adott teljesítményt mérték.
Becslésem szerint legalább 10 m/s sebességű szél kellett a hálózati frekvencia eléréséhez, így az ennél kisebb sebességű szél hasznosulását nem vizsgálták.
Amennyiben a turbinához egyenáramú dinamót kapcsolnak, vagy a kisebb frekvenciájú árammal terhelik a turbinát, akkor kis szélsebességnél jobb hatásfokot mérhettek volna a pneumatikus gépeken, mint a mechanikus erőátvitelűeken. Ahogy ez a veszteségek korábbi elemzéséből következik.
A negyedik felismert hiba az, ahogy a gépek hasznosságát összehasonlították.
A kialakult gyakorlat szerint a szélgépek minőségét a teljesítménytényezővel vagy a hatásfokkal jellemezzük. Ezek hasonló fogalmak és azt mutatják, hogy a gép a szél teljesítményének hány százalékát hasznosítja. Kiszámításuk alapja a szél sebessége, a levegő sűrűsége, a lapátok által súrolt kör területe és a gépből kimenő mechanikai vagy villamos teljesítmény.
A gondot itt a szél sebességének megmérése okozza. A számítás értelme szerint a teljesítménytényező meghatározásához azt a sebességet kellene megmérni, amivel a szél a szélkeréken áthalad. Erre azonban nincs módunk. Jobb megoldás hiányában a szélsebességet a gépház tetejének a keréktől távolabbi végén mérik, és ebből számítják a hatásfokot. Csakhogy a hagyományos gépeken a szélkerék szinte mindig az oszlop előtt, a sebességmérő műszer pedig az oszlop mögött van. Ezzel ellenkezően az Andreau-féle pneumatikus gépen és a mi kísérleti gépünkön a szélkerék van az oszlop mögött és a műszer az oszlop előtt.
Mint tudjuk, a szélkerék úgy veszi el a szél mozgási energiájának egy részét, hogy lassítja a levegőt. Tehát a kerék előtt mindig nagyobb a sebesség, mint a kerék mögött. Hogy mekkora a különbség, azt nem tudhatjuk meg, mert mindig csak az egyiket tudjuk mérni. Az biztos, hogy a különböző helyen mért sebességből számított hatásfokokat nem szabad összehasonlítani. Az összehasonlításnak ez a módja az oszlop mögött levő pneumatikus kerék számára hátrányos.
Az eddigiekből az a tanulság vonható le, hogy az első pneumatikus erőátvitelű szélgép jobb volt, mint amilyennek minősítették.
Csak az első és a második hiba volt a gép hibája, és ezek a hibák a bemutatott találmányokkal hatékonyan javíthatók. A harmadik és a negyedik hiba a rossz mérés és értékelés következménye.
Tehát a pneumatikus erőátvitelű szélgép hatásfokának növelését nem 14,5%-ról, hanem 20-30%-ról lehet kezdeni. Ez a tény növeli a valószínűségét annak, hogy ezen az úton az eddigieknél jobb szélgépet hozunk létre.  Ezen kívül az új szélgép egyszerűbb, olcsóbb és sokkal tartósabb lesz, mint a hagyományos szerkezetűek. Továbbá az olyan kis sebességű, de gyakran fújó szelet is hasznosítja, melytől a ma gyártott gépek el sem indulnak.
Végül az új géppel termelt áram sokkal olcsóbb lesz, mint a régiekkel előállított.
Állításaim bizonyításához már „csak” olyan társat kell találnom, akinek módja és bátorsága van a fejlesztőmunka folytatásához.

Budapest, 2014. december 28.

Dr. Mucsy Endre