Vindkraftverk

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
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. Vindkraftverk består av ett stationärt torn och fundament, samt en rotor som omvandlar vindens energi till mekaniskt arbete och elektricitet. Rotorn hos ett vindkraftverk är en form av friströmsturbin och det är därför inte möjligt att omvandla all vindens rörelseenergi till arbete. Den tyske aerodynamikern Albert Betz visade att den maximala verkningsgraden hos ett vindkraftverk aldrig kan överstiga 59,3 procent, ett faktum som brukar benämnas som Betz lag.[1] Generellt ökar effektuttaget från ett vindkraftverk med vindhastigheten, vid låga vindhastigheter utnyttjas inte vindenergin alls. För att utnyttja vindenergi på ett driftsäkert och effektivt sätt utformas vindkraftverk för en viss märkvind. Märkvinden är den vindhastighet då kraftverket producerar sin maximala effekt, märkeffekten. Då vindhastigheten överstiger denna nivå regleras vindkraftverket så att effektuttaget hålls konstant, för att på så vis minska påfrestningarna på vindkraftverket och dess komponenter. Då vindhastigheten överstiger en viss nivå (vanligen 25 m/s) stängs kraftverket ner helt för att skydda mot överbelastning.[2]

Ett vindkraftverk är beroende av vindens energitillförsel och kan därför endast utnyttjas då det blåser. På grund av detta måste el från vindkraft kunna stöttas av andra energikällor, så kallad reglerkraft, för att fungera som en del i ett större elförsörjningssystem. [3]

Uppbyggnad och styrsystem[redigera | redigera wikitext]

Konventionella vindkraftverk har en växellåda som omvandlar den långsamma rotationen i rotorn till ett högre varvtal för generatorn, från kanske 16 rpm på rotorn till cirka 1500 rpm på generatorn. Detta skapar stort slitage och förluster. 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 gick ut år 2011. Enligt en av leverantörerna kan effekten höjas 26 procent med oförändrad vikt på maskinhuset samtidigt som antalet delar i maskinhuset minskas till hälften.[4] Försök har även gjorts med generator som producerar högspänning (PowerFormer) utan någon transformatori anslutning till vindkraftverket.

I vindkraftverket finns ett styrsystem som reglerar varvtalet, vingarnas vridning och maskinhusets vridning mot vinden med syftet att få ut så stor effekt 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. Innan den elektriska energin kan gå ut på elkraftsnätet så måste strömmen passera en frekvensomriktare och passera en transformator som höjer spänningen till den nivå som motsvar den normala spänningen i det lokala högspänningsnätet(ofta någonstans mellan 10 och 20 kilovolt).

Olika typer av vindkraftverk[redigera | redigera wikitext]

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[redigera | redigera wikitext]

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].

Nautilus vindkraftverk[redigera | redigera wikitext]

En ny typ av vindkraftverk med horisontel axel har nyligen börjat användas formen hos bladen i den nya typen av kraftverk saknar de traditionella bladen som ser ut som vingar, de påminner snarare om en kombination av en skruv och en nautilus-snäcka. Fördelen med denna nya typ av blad är att de kan användas i tätbebyggda och känsliga miljöer då de kräver förhållandevis liten yta samt att de inte ger ifrån sig störande ljud i lika hög grad.[5] Vindkraftverk av nautilustyp konstrueras bl.a. av företaget The Archimedes.

Rotor med vertikal axel[redigera | redigera wikitext]

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.[6] Savonius och Darrieus är två olika lösningar för vertikalaxlade rotorer.

Konstruktion[redigera | redigera wikitext]

Den svenska standard som gäller för vindkraftverk är SS-EN 61400[7], vilket är det svenska namnet på IEC 61400.[8]
Ett vindkraftverk är att betrakta som ett byggnadsverk varför Boverkets byggregler, EKS och Eurokoder är regler som gäller om det skall vara placerat i Sverige. Vidare är det att betrakta som en maskin varför det skall vara CE-märkt mot maskindirektivet.[9] Även andra direktiv så som lågspänningsdirektivet och EMC-direktivet direktivet gäller för Vindkraftverk.[10]Arbetsmiljöverkets temasida Vindkraftverk under uppbyggnad och drift hittar man Arbetsmiljöverkets krav på vindkraftverk.[11]

Andra standarder och föreskrifter som kan komma att vara tillämpliga är:[12]

  • SS-EN ISO 12100 Maskinsäkerhet - Allmänna konstruktionsprinciper - Riskbedömning och riskreducering
  • SS-EN 50308 Vindkraftverk - Säkerhet och skydd vid skötsel och underhåll
  • 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[13]
  • DNV-OS-J102 Det Norske Veritas; Design and Manufacture of Wind Turbine Blades, Offshore and Onshore Wind Turbines[14]
  • DIBt Richtlinien Das Deutsche Institut für Bautechnik; Richtlinie. Windkraftanlagen. Einwirkungen und Standsicherheitsnachweise für Turm und Gründung
  • GL Guideline for the Certification of Wind Turbines[15]

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.[16] 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.[17][18][19][20][21]

Placering[redigera | redigera wikitext]

Varning för iskast.

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/s som gränsen för vad som är ekonomiskt lönsamt. Vanligen eftersträvas i Sverige lägen med omkring 7 m/s 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 iskast 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.[22] På Energimyndighetens webbsida Vindlov rekommenderas ett säkerhetsavstånd som är minst 1,5*(navhöjden+rotordiametern).[23][24] Tillverkaren Vestas anger 400 meter för sina V90-3.0MW och V100-2,.75MW-modeller.[25] I Sverige har det hittills inte inträffat någon allvarlig olycka med iskast som drabbat tredje man. Men olyckor förekommer[26] och än så länge finns knappast några vindkraftverk med avisningssystem i Sverige.[27]

Placeringen av små vindkraftverk (som även placerade fritt inte kan förväntas leverera nog med energi för att betala sig själva[28][29]) i stadsmiljö innebär att de många gånger inte levererar någon energi alls, eller mycket lite.[30][31] En ogenomtänkt placering kan också vara ett säkerhetsproblem.[32][33]

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.[34]

Utveckling[redigera | redigera wikitext]

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.

Genom bättre teknik och mer optimerad design så har de nyaste vindkraftverken i gynnsamma lägen betydlig bättre kapacitetsfaktor. Som exempel kan man nämnas att vindkraftverken på Högtjärnsklack i Hedemora kommun hade runt 43% som kapacitetsfaktor för år 2013. För några år sedan var genomsnittet för Sverige mellan 20-25%.[35].

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.[36]

Bland tillverkarna har den danska tillverkaren Vestas tappat sin dominerande ställning. Kring 2005 hade Vestas cirka 30 procent av världsmarknaden för stora vindkraftverk. 2009 har flera andra tillverkare tagit ökande marknadsandelar, bland annat har tre kinesiska tillverkare tillsammans tagit 23 procent av världsmarknaden (Vestas hade 12 procent). 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.[37] 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 procent lägre än de högsta priserna under år 2007 och 2008.[38]

Energiutbyte[redigera | redigera wikitext]

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[39].

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.[40]

Ovanstående gäller inte för mycket små vindkraftverk då deras kapacitetsfaktor (under 1 procent många gånger) och MTBF är betydligt lägre (placerade i urban miljö, så kallad urban vindkraft, kan dessa inte förväntas leverera så mycket energi som det åtgår för att tillverka dem).[28][29][30][31]

Bildgalleri vindkraftverk[redigera | redigera wikitext]

Se även[redigera | redigera wikitext]

Noter och referenser[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ Wizelius, Tore (2007). Vindkraft i teori och praktik. Lund: Studentlitteratur. sid. 84-87. ISBN 978-91-44-02660-2 
  2. ^ Wizelius, Tore (2007). Vindkraft i teori och praktik. Lund: Studentlitteratur. sid. 112-114. ISBN 978-91-44-02660-2 
  3. ^ Wizelius, Tore (2007). Vindkraft i teori och praktik. Lund: Studentlitteratur. sid. 18. ISBN 978-91-44-02660-2 
  4. ^ Ny Teknik:Siemens börja sälja direktdrivna turbiner, 2010-08-10
  5. ^ ”Skruvturbin tystar vindkraften”. nyteknik. http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article3829962.ece. Läst 28 maj 2014. 
  6. ^ Vertikal vindsnurra ska värma villan”. Sydsvenskan. 2008-09-14. http://sydsvenskan.se/ekonomi/article367956/Vertikal-vindsnurra-ska-varma-villan.html. Läst 11 november 2009. 
  7. ^ SEK Svensk Elstandard
  8. ^ (engelska) iec wind turbine standards
  9. ^ Det här är tillverkarens ansvar
  10. ^ (engelska) CE Marking for Wind Turbines Helping to eliminate European trade barriers
  11. ^ Vindkraftverk under uppbyggnad och drift
  12. ^ (engelska) Guidelines for Design of Wind Turbines − DNV/Risø ISBN 87-550-2870-5
  13. ^ (engelska) DNV-OS-J101 Design of Offshore Wind Turbine Structures
  14. ^ (engelska) DNV-OS-J102 Design and Manufacture of Wind Turbine Blades, Offshore and Onshore Wind Turbines
  15. ^ (engelska) GL Guideline for the Certifica tion of Wind Turbines
  16. ^ ET2008:3 Vindkraft - bygga och ansluta mindre vindkraftverk för eget bruk
  17. ^ Ny Teknik ”Marknaden för små vindkraftverk är rent ut sagt sjuk”
  18. ^ Ny Tekninik Här är företagen som säljer små vindkraftverk
  19. ^ Ny Teknik Varning för kinesiskt vindkraftverk
  20. ^ Ny Teknik Familjen blev blåst på vindkraftslyckan
  21. ^ Sydsvenskan Platt fall efter några timmar
  22. ^ Säkerhetsavstånd till vindkraftverk klarlagt,Dom: Kammarrätten i Jönköping, avdelning 1, mål nr 2162-06, den 18/12 2007, Dagens Samhälle 2009-01-22
  23. ^ Säkerhet och riskavstånd
  24. ^ Svenska erfarenheter av vindkraft i kallt klimat – nedisning, iskast och avisning Elforsk rapport 04:13
  25. ^ (engelska) Manual Vestas
  26. ^ ”Flygande is polisanmäld”. Sydsvenskan. 2011-01-05. http://www.sydsvenskan.se/lund/article1345476/Flygande-is-polisanmald.html. Läst 2011-01-17. 
  27. ^ ”Istappar från vindkraftsverk blir rena projektiler”. E24. 2010-12-27. http://www.e24.se/business/ovrig-industri/istappar-fran-vindkraftsverk-blir-rena-projektiler_2519749.e24. Läst 2011-01-17. 
  28. ^ [a b] (engelska) Low-tech Magazine Small windmills put to the test
  29. ^ [a b] (engelska) Earthtronic's Honeywell Windtronics WT 6500--A Review
  30. ^ [a b] (engelska) Urban windmills harm the environment
  31. ^ [a b] (engelska) Encraft Warwick Wind Trials Project Report
  32. ^ ”Vindkraftverk bland bostadshus stoppas”. Skånska Dagbladet4. 2011-01-20. http://www.skanskan.se/article/20110120/MALMO/701199779/1004/*/vindkraftverk-bland-bostadshus-stoppas. Läst 2011-01-23. 
  33. ^ Bertil Persosn (2011-02-07). ”Vingspetsar på vindkraftverk 150 m från E4 vid Brahehus, Gränna”. FSL. Arkiverad från originalet den 2011-08-15. http://web.archive.org/web/20110815034442/http://www.landskapsskydd.se/pic/FSL20110206Vindkraftsvingar%20111%20m%20fran%20E4%20vid%20Brahehus,%20Granna.pdf. Läst 2011-02-09. 
  34. ^ Tidningen ERA nr 10-2010, sid 39 och följande
  35. ^ Produktionsstatistik för Dalavind, Hedemora Energi AB
  36. ^ (engelska) Popular Mechanics Windbelt, Cheap Generator Alternative, Set to Power Third World
  37. ^ Staffan Engström; Trends and development in wind power technology, Elforsk, Rapportnummer: 10:79, 2010
  38. ^ Jonnie Wistrand: Vindkraften under magisk prisnivå, Teknik 360, 2011-02-09
  39. ^ Beräkning enligt företaget Kraftö AB.
  40. ^ Sanningar om vindkraft Bertil Persson, tekn. dr, docent i byggnadsmaterial

Externa länkar[redigera | redigera wikitext]