Vindkraftverk

För vindkraft i allmänhet, se Vindkraft.

För sådant som rör svenska förhållanden, se Vindkraft i Sverige.

Vindkraftverk av den vanliga moderna typen med tre rotorblad.

Vindkraftverk är en maskinkonstruktion som omvandlar kinetisk energi ur vinden till elektricitet. Eftersom vinden inte är en ändlig resurs räknas vindkraft som förnybar energi. Ett vindkraftverk med en bra rotorverkningsgrad kan utvinna upp till maximalt cirka 50 procent av den energi som finns i vinden.^{[källa behövs]} Den teoretiska gränsen för utvunnen energi är 59,3 procent (Betz lag).^{[källa behövs]} Vindkraftverkets enda energitillförsel utgörs av vinden och kan därför inte utnyttja lagrad energi, vilket gör att det måste stöttas av andra typer av lagringssystem för att kunna fungera som en del i ett större elförsörjningssystem. I Sverige utnyttjas lagrad förnybar energi i främst vattenkraftverkens vattenmagasin som ger möjligheten till en kontinuerlig energiutvinning, som också enkelt kan styras efter dagsaktuellt el-energibehov, oberoende av vädret, förutsatt att tillräckliga volymer regn- och smältvatten har lagrats upp över året. Det krävs en lägsta vindhastighet för att kraftverket ska kunna leverera el-energi. Även perioder med för hög vindhastighet påverkar utvinningen över tiden då kraftverket måste stoppas ur hållfasthetssynpunkt för rotor och rotorblad.

Uppbyggnad och styrsystem

Konventionella vindkraftverk har en växellåda som omvandlar den långsamma rotationen i rotorn till ett högre varvtal för generatorn. På senare tid har det även utvecklats vindkraftverk utan växellåda som istället använder en annan typ av direktdriven generator. Här har utvecklingen bromsats av att det finns ett tyskt patent som går ut år 2011. Från 2011 förväntas flera leverantörer erbjuda vindkraftverk utan växellåda. Enligt en av leverantörerna kan effekten höjas 25% med oförändrad vikt på maskinhuset och bara hälften av delarna. Försök har även gjorts med generator som producerar högspänning (PowerFormer) som således inte erfordrar någon transformator.

I vindkraftverket finns ett styrsystem som har till uppgift att övervaka vindhastigheten, vindriktningen, generatorn, generatorväxellåda, hydraulsystem och rotorns bromssystem. Styrsystemet reglerar automatiskt bladinställning, varvtal och maskinhusets vridning mot vinden för att åstadkomma så hög verkningsgrad på rotorn som möjligt. Det finns också en vindfana och en vindmätare, vilka mäter vindriktning och vindhastighet. Rörelseenergin på rotorn överförs till en växelströmsgenerator. Generatorn omvandlar rörelseenergin till elektrisk energi. Den elektriska energin förs vidare till en transformator som anpassar den elektriska spänningen till det närmast liggande elkraftnätets spänning. I de senaste vindkraftkonstruktionerna är rotoraxeln direkt kopplad till generatorn och varvtalet på rotorn ändras med vindhastigheten för minsta möjliga turbulens kring rotorvingarna och därmed en högre verkningsgrad. En stor del av den komplicerade växellådan bortfaller på detta sätt och behovet av stora oljekylare. Den varierande el-frekvensen som blir följden av ett varierande generatorvarvtal moduleras i en frekvensomriktare för att alltid ligga i fas med kraftnätets frekvens på ca 50 Hz.

Olika typer av vindkraftverk

Vindkraftverk i Mörby, Blekinge.

Det finns flera olika typer av vindkraftverk. En grundläggande typindelning kan göras efter hur turbinens axel är riktad, om den är horisontell eller vertikal.

Rotor med horisontell axel

Vindkraftverk med horisontell axel har rotorn och generatorn placerade i ett vridbart torn, kallat nacell, högst upp i ställningen. Detta möjliggör att tornet kan vridas så att rotorn pekar mot vindriktningen. För mindre modeller styrs ofta vridningen av en vinge som är riktad bakåt från rotorn sett. Likt en vindflöjel följer den vindens riktning och håller rotorn riktad mot vinden. Stora kraftverk har ett styrsystem för vridningen, bestående av en vindmätare och en servomotor. De flesta har oftast två eller tre blad även om modeller med fler blad förekommer. Kraftverk med tre blad och med två blad producerar i stort sett lika mycket elektricitet. Fördelen med tre blad är bland annat jämnare kraftpåverkan och därmed mindre påfrestningar i kullagren och att skuggningseffekten från trebladsverk är mindre. ^{[källa behövs]} En del modeller tål inte att stå stilla på grund av tyngdkraftens inverkan på en stillastående vinge deformerar denna. Dessa verk drivs runt av en elmotor när de är avstängda. ^{[källa behövs]}

Rotor med vertikal axel

Vertikalt kraftverk

Vindkraftverk med vertikalt placerad rotoraxel kräver beroende på utförande lite större bladyta och dessutom extra bärarmar jämfört med horisontell rotoraxel, men behöver å andra sidan inte ett system som ser till att bladen alltid är vända mot vinden för maximal energiutvinning. Vertikal rotoraxel kan därför möjliggöra en enklare konstruktion. Vertikalaxlade turbiner påstås bullra mindre än horistontalaxlade.. Savonius och Darrieus är två olika lösningar för vertikalaxlade rotorer.

Svenska storleksklasser

Gårdsverk

Gårdsverk definieras som ett vindkraftverk med en totalhöjd på 20 till 50 meter och vars rotordiameter överstiger 3 meter. Bygglov som beslutas av kommunens byggnadsnämnd enligt plan- och bygglagen fordras.

Miniverk

Miniverk definieras av Energimyndigheten som ett vindkraftverk med en totalhöjd av maximalt 20 meter och med en rotordiameter på maximalt 3 meter. Bygglov enligt Plan- och bygglagen behövs i allmänhet inte. Den generella regeln är att vindkraftverk med en rotordiameter på max 3 meter får uppföras på ett avstånd från närmaste granne så att om vindkraftverket faller så får det inte hamna på grannens tomt.

Mikrovindkraftverk

Ett mikrovindkraftverk har en rotor under två meter i diameter och lyder under samma bestämmelser som flaggstänger och är därmed bygglovsfria, ingen bygganmälan krävs.

Tillståndspliktiga vindkraftverk

För miljöprövning se huvudartikeln vindkraft.

Konstruktion

Den svenska standard som gäller för vindkraftverk är SS-EN 61400, vilket är det svenska namnet på IEC 61400.
Ett vindkraftverk är att betrakta som ett byggnadsverk varför Boverkets byggregler och Boverkets konstruktionsregler är de regler som gäller om det skall vara placerat i Sverige. Tornet är oftast en stålkonstruktion varför BSK är tillämplig. För grundläggningen som oftast är i betong är BBK tillämplig.

Andra standarder och föreskrifter som kan komma att vara tillämpliga är:

• DS 472 Dansk Ingenioerforenings Code of Practice for Loads and Safety of Wind Turbine Constructions
• GL Regulations Germanischer Lloyd's Regulations for the Certification of Offshore Wind Energy Conversion Systems
• DNV-OS-J101 Det Norske Veritas; Design of Offshore Wind Turbine Structures
• DNV-OS-J102 Det Norske Veritas; Design and Manufacture of Wind Turbine Blades, Offshore and Onshore Wind Turbines
• DIBt Richtlinien Das Deutsche Institut für Bautechnik; Richtlinie. Windkraftanlagen. Einwirkungen und Standsicherheitsnachweise für Turm und Gründung

Ovan nämnda bestämmelser gäller även för små vindkraftverk. Energimyndigheten har gett ut ET 2008:3 Vindkraft - bygga och ansluta mindre vindkraftverk för eget bruk med råd beträffande små vindkraftverk. Några av de råd som ges är:

• Köp ett CE-märkt vindkraftverk.
• Se till att vad för vind- och klimatförhållande vindkraftverket är konstruerat för framgår av den dokumentation som kommer med leveransen (och lämpligen bör man ju se till att det är de förhållande som råder där man har tänkt sig att det skall vara placerat).
• Se till att montageanvisning, säkerhetsanvisningar, ritningar och annan dokumentation som krävs för att man skall kunna installera, använda och underhålla anläggningen ingår i leveransen.

Marknaden för små vindkraftverk har vuxit mycket på kort tid, med tillsynes stora kvalitetsproblem som följd.

Placering

Varning för iskastning.

Vindkraftverk placeras idag både till havs och på land. Vid landplacering används antingen öppna fält eller höjder där det går att bygga torn till sådan höjd att man når en gynnsam genomsnittlig vindstyrka som inte är alltför turbulent. Exploatörerna brukar ange en genomsnittlig vind på 6 m/sek som gränsen för vad som är ekonomiskt lönsamt. Vanligen eftersträvas i Sverige lägen med omkring 7 m/sek eller mer. Vid placering av vindkraft i skog kan skogsägaren fortsätta bedriva skogsbruk, samtidigt som energiföretaget arrenderar de områden som behövs för vindkraftsproduktion. En turbin måste normalt upp minst 20 meter över omgivande terräng och skog för att den ska ge en godtagbar produktion, kortare master eller torn ger sällan bra resultat.

På grund av risken för iskastning och kringflygande delar från vindkraftverk finns krav på ett visst säkerhetsavstånd. Kammarrätten i Jönköping accepterade år 2007 ett säkerhetsavstånd till en enskild väg lika med dubbla tornhöjden, dock minst 50 meter. På Energimyndighetens webbsida Vindlov rekommenderas ett säkerhetsavstånd som är minst 1,5*(navhöjden+rotordiametern). Tillverkaren Vestas anger 400 meter för sina V90-3.0MW och V100-2,.75MW-modeller. I Sverige har det hittills inte inträffat någon allvarlig olycka med iskastning som drabbat tredje man. Men olyckor förekommer och än så länge finns knappast några vindkraftverk med avisningssystem i Sverige.

Placeringen av små vindkraftverk (som även placerade fritt inte kan förväntas leverera nog med energi för att betala sig själva) i stadsmiljö innebär att de många gånger inte levererar någon energi alls, eller mycket lite. En ogenomtänkt placering kan också vara ett säkerhetsproblem.

Ett typiskt vindkraftverk ger i goda lägen upp till en tredjedel av märkeffekten i genomsnitt.^{Utvecklas alternativt kb} Se även avsnittet om kapacitetsfaktor (efter andra tabellen). Kapacitetsfaktorn beror till viss del på vingarnas längd i förhållande till generatorns maxeffekt. Trenden i Sverige har det senaste året varit att öka vingarnas längd för att uppnå maxeffekten vid lägre vindstyrka.

Utveckling

Generellt har utvecklingen gått mot allt större verk, 2,0-2,3 MW i maximal effekt är just nu en vanlig storlek i Sverige för nya landbaserade vindkraftverk, 3 MW blir alltmer vanlig. I Tyskland är vindkraftverk med en installerad effekt på 6 MW ett faktum och det finns även skisser på kraftverk med en installerad effekt på 10 MW inför framtiden. För landbaserade verk är möjligheten att transportera de långa rotorbladen det som i många fall sätter gränsen för storleken.

En ny typ av vindkraftverk kallat Windbelt är under utveckling. Denna typ använder sig av mycket enkla och förhållandevis billiga material som gör det enkelt och ekonomiskt möjligt för mindre behov i till exempel utvecklingsländer. Denna nya typ av vindkraftverk bygger på användandet av ett tunt stycke material som kommer i vibration när vinden blåser på det, vibrationerna sätter ett antal permanentmagneter i rörelse som sedan omvandlas till elkraft. Denna lösning kräver inga stora insatser i material eller avancerade konstruktioner och är förhållandevis lätt att flytta samt reparera med lokalt tillgängliga material. Produktionen av elkraft är begränsad men räcker till för mindre behov som inte är energiintensiva. Shawn Frayne som är konstruktören av denna lösning har fått sin inspiration från olyckan med Tacoma Narrows Bridge, en bro som kom i självsvängning när den utsattes för kraftiga vindar.

Bland tillverkarna har den danska tillverkaren Vestas tappat sin dominerande ställning. Kring 2005 hade Vestas cirka 30% av världsmarknaden för stora vindkraftverk. 2009 har flera andra tillverkare tagit ökande marknadsandelar, bland annat har tre kinesiska tillverkare tillsammans tagit 23% av världsmarknaden (Vestas hade 12%). Ett påtagligt utslag är att flera företag satsar på direktdrivna generatorer (utan växellåda), dessutom med en modernare teknik med permanentmagneter än den tillverkare som tidigare varit i stort sett ensam om direktdrivna generatorer på marknaden och att nya modeller utlovar högre kapacitetsfaktor än äldre vindkraftverk. Högre tillverkningskapacitet, ökad effektivitet och överkapacitet hos tillverkarna har lett till att snittpriset per MW på turbiner till landbaserade vindkraft i slutet av 2010 var omkring 19% lägre än de högsta priserna under år 2007 och 2008.

Energiutbyte

Vid beräkning av energiutbytet för ett vindkraftverk i jämförelse med andra energikällor måste hänsyn tas till den energi som åtgår för att producera allt material som kraftverket är uppbyggt av, speciellt de tyngre stålkonstruktionerna, aluminiumplåtar etc. som kräver stora mängder energi under tillverkningsprocessen vilket reducerar det effektiva energiutbytet. Beräkningar ger för handen att ett för svenska förhållanden normalstort landbaserat vindkraftverk med en installerad effekt på max. 2 MW har producerat den energi som åtgår att tillverka alla delar till kraftverket inom ca 10 månader från idriftstagandet med rådande el-priser.

De vindkraftverk som finns idag producerar under hela sin ekonomiska livstid (ca 25 år) i genomsnitt en mängd energi som är 18 gånger så stor som den energi som går åt för att bygga dem. Variationen mellan olika typer är dock mycket stor, åtminstone från en faktor 5 till en faktor 30. Denna faktor blir högre i takt med den tekniska utvecklingen på området och är större för större kraftverk. Ser man till vindkraftverkets hela livscykel krävs också energi för att uppföra en vindkraftsstation utöver den som åtgår för tillverkning av själva verket till ex. för grundläggning, vägar, kablar, transformator, underhåll och skrotning.

Ovanstående gäller inte för mycket små vindkraftverk då deras kapacitetsfaktor (under 1% många ggr) och MTBF är betydligt lägre (placerade i urban miljö, s.k. urban vindkraft, kan dessa inte förväntas leverera så mycket energi som det åtgår för att tillverka dem).

Bildgalleri vindkraftverk

• 

  Kusatsu Yume Fusha Kusatsu, Shiga, Japan.

• 

  Vindkraftverk med fackverkstorn.

• 

  Klondike.

• 

  Grundläggning för vindkraftverk.

• 

  NASA:S Jämförelse mellan vindkraftverksgeneratorer.

• 

  Vindkraftverk med ett rotorblad och motvikt. (NASA).

• 

  Vindkraftverk med propellerskydd i Rebielice Krolewskie, Polen.

• 

  Vindkraftverk för båtar.

• 

  Vindkraftverk med segel

• 

  Estinnes Belgien vindkraftpark 20 juli 2010, en månad innan den är slutförd, se den unika tvådelade rotorblad

• 

  Världen första: site 11x E-126 7,5 MW vindturbiner, Estinnes Belgien.

Vindkraftverk och miljö

Se artikel Vindkraft

Kraften från vind är inte oändlig. Genom en massiv utbyggnad av vindkraften skulle människan faktiskt kunna påverka vindenergin, hävdar en forskare i Tyskland.

http://www.lantbruk.com/forskare-vindkraft-en-andlig-resurs/2011-04-04

Se även

• Savonius-rotor
• Darrieusturbin
• Windbelt
• Vindkraft
• Förnybara energikällor

Noter och referenser

• Resultatrapport NE 1980:18; Vindenergi- Resultat, utvecklingsläge och förutsättningar, Nämnden för energiproduktionsforskning (December 1980). ISBN 91-38-06085-x

Externa länkar

• Vindkraftshandboken från Boverket
• Energimyndigheten Bygga vindkraftverk
• Tekn. dr Bertil Persson Sanningar om vindkraft
• Real-world tests of small wind turbines in Netherlands and the UK
• Noise Research to Combat 'Wind Turbine Syndrome' ScienceDaily
• Riktvärden för ljud från vindkraft
• The Telegraph, 1,500 accidents and incidents on UK wind farms

• Wikimedia Commons har media som rör Vindkraftverk
  Bilder & media