Öppna huvudmenyn
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 med en rotor som snurrar genom påverkan av vindens kraft. Rotorn driver en generator som producerar el som överförs till elnätet.

Ett vindkraftverk är beroende av vindens energitillförsel och ger därför en varierande effekt - stundtals ingen effekt alls - beroende på vindhastigheten. 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.

Innehåll

AllmäntRedigera

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 procent, ett faktum som brukar benämnas som Betz lag.[1]

Generellt ökar den möjliga effekten från ett vindkraftverk med vindhastigheten upphöjt till tre, det vill säga att en fördubblad vindhastighet ger en 2³=8 gånger högre effekt. Detta innebär att effekten är mycket låg vid låga vindhastigheter, men ökar mycket kraftigt med ökande vindhastighet.

StartvindRedigera

Vid de lägsta vindhastigheterna, under startvind (en: cut-in wind speed), ger verket en så låg effekt att den inte ens räcker till verkets egenförbrukning i olika hjälpsystem. Vanliga värden på startvind är 4–5 m/s, och verket ger således ingen produktion alls under denna vindhastighet.[2]

MärkvindRedigera

Med ökande vindhastighet ökar effekten kraftigt, och det är därför nödvändigt att utforma vindkraftverket så att effekten begränsas när vindhastigheten överstiger en viss märkvind. Märkvinden är den vindhastighet då kraftverket producerar sin maximala effekt, märkeffekten. Då vindhastigheten överstiger denna nivå regleras vindkraftverket så att vinden delvis "spills" genom turbinen och effektuttaget på så sätt hålls konstant. Denna reglering är helt nödvändig för att minska påfrestningarna på vindkraftverket och dess komponenter. Vanliga värden på märkvind är 10–14 m/s.

StoppvindRedigera

Då vindhastigheten överstiger en viss nivå (vanligen 20–25 m/s) stängs kraftverket ner helt för att skydda mot överbelastning.[3]

Uppbyggnad och styrsystemRedigera

Konventionell generator och växellådaRedigera

Typiska varvtal för vindturbiner är 10–30 varv/minut, medan konventionella elgeneratorer har varvtal på 750, 1 000, 1 500 eller 3 000 varv/minut (olika multipler av nätfrekvensen 50 Hz). Om verket konstrueras med en konventionell elgenerator måste det därför finnas en växellåda med en betydande utväxling, som omvandlar den långsamma rotationen i rotorn till ett högre varvtal för generatorn. Utvecklingen av dessa speciella växellådor har varit en utmaning förknippat med vissa tillgänglighetsproblem, men med tiden har beprövade konstruktioner vuxit fram.[4] Med denna konstruktionslösning används således en "ovanlig" växellåda men en generator med beprövad konstruktion. Spänningen från generatorn är relativt låg, och måste transformeras upp om strömmen ska transporteras längre sträckor.

Direktdriven generator och omformareRedigera

Vissa verk är istället konstruerade med direktdriven generator. Generatorer för så låga varvtal som 10–30 varv/minut får med nödvändighet en betydande diameter och kan behöva använda speciella material och konstruktionslösningar för elektriska lindningar och magneter. Dessutom är den genererade strömmen av annan frekvens och måste omformas innan den kan levereras till elnätet. Med denna konstruktionslösning behövs ingen växellåda, men istället används en "ovanlig" generator och det tillkommer kostnader för en omformare som omvandlar den genererade strömmen till lämplig spänning och frekvens för elnätet.

RegleringRedigera

De flesta vindkraftverk reglerar vingarnas vridning så att vindkraftverket under märkvind får så hög effekt som möjligt, över märkvind "spiller" överflödig vind och håller konstant effekt, och slutligen flöjlar vingarna och stänger av verket när vindhastigheten överskrider stoppvinden. Det finns också system som vrider maskinhuset mot vinden. Styrsystemet hämtar information från bland annat vindfana och vindmätare, vilka mäter vindriktning och vindhastighet.

Olika typer av vindkraftverkRedigera

 
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 axelRedigera

Vindkraftverk med horisontell axel har rotorn och generatorn placerade i ett vridbart maskinhus, kallat nacell, högst upp i ställningen. Detta möjliggör att maskinhuset 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.

Nautilus vindkraftverkRedigera

En ny typ av vindkraftverk med horisontell axel har nyligen börjat användas. 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 kraftverket kan användas i tätbebyggda och känsliga miljöer då det kräver förhållandevis liten yta samt att bladen inte ger ifrån sig störande ljud i lika hög grad.[5]

 
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.

KonstruktionRedigera

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 gäller för Vindkraftverk.[10]Arbetsmiljöverkets webbsida Vindkraftverk hittar man Arbetsmiljöverkets krav på vindkraftverk bl.a. om hiss behövs.[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]

Ovannämnda bestämmelser gäller även 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 de 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]

PlaceringRedigera

 
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 [28][29] i stadsmiljö är problematisk då byggnader skuggar och minskar möjlig energiproduktion.[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]

UtvecklingRedigera

Generellt har utvecklingen gått snabbt mot allt större verk. Medelstorleken på de 1 060 verk som byggs i Sverige under 2019–2022 är 4 MW [35]. Serieproduktion av landbaserade verk på 5,6 MW startar 2020. Idag finns havsbaserade verk på 10 MW att beställa [36]. 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. Genom att de är större når de upp till starkare vindar som bromsats mindre av skog och mark. 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 och 25 %.[37].

Enligt uppgifter från FTI Intelligence förblev danska Vestas världens största vindturbintillverkare 2018. De andra topp 10 vindturbinleverantörerna var Siemens Gamesa, Goldwind, GE, Enercon, Nordex Group, Senvion, United Power, Envision Energy, och Suzlon. Tillsammans hade dessa över 75 % av den globala installerade kapaciteten varje år. Deras industriella dominans förväntas fortsätta även framgent [38]. Vestas har sedan man började tillverka vindkraftverk 1979 installerat 66 000 vindkraftverk i sammanlagt 80 olika länder. I december 2018 blev Vestas det första företaget i världen som tillverkat och installerat över 100 GW vindkraft [39].

EnergiutbyteRedigera

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 cirka 10 månader från idriftstagandet[40].

De vindkraftverk som finns idag producerar under hela sin ekonomiska livstid (cirka 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.[41]

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 vindkraftverkRedigera

Se ävenRedigera

Noter och referenserRedigera

  1. ^ Wizelius, Tore (2007). Vindkraft i teori och praktik. Lund: Studentlitteratur. sid. 84–87. ISBN 978-91-44-02660-2 
  2. ^ ”Technical Specification Vestas V90-2.0”. Vestas. https://www.vestas.com/en/products/turbines/v90-2_0_mw#!technical-specifications. Läst 6 november 2018. 
  3. ^ Wizelius, Tore (2007). Vindkraft i teori och praktik. Lund: Studentlitteratur. sid. 112–114. ISBN 978-91-44-02660-2 
  4. ^ Paul Dvorak (26 februari 2015). ”What are the problems and solutions to better gearbox reliability?”. Windpower Engineering & Development. https://www.windpowerengineering.com/mechanical/gearboxes/what-are-the-problems-and-solutions-to-better-gearbox-reliability/. Läst 6 november 2018. 
  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. 14 september 2008. Arkiverad från originalet den 5 januari 2010. https://web.archive.org/web/20100105230911/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 Arkiverad 26 februari 2014 hämtat från the Wayback Machine.
  10. ^ (engelska) CE Marking for Wind Turbines Helping to eliminate European trade barriers
  11. ^ Arbetsmiljöverket - Vindkraftverk
  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 Certification of Wind Turbines Arkiverad 17 juni 2012 hämtat från the Wayback Machine.
  16. ^ ET2008:3 Vindkraft - bygga och ansluta mindre vindkraftverk för eget bruk
  17. ^ Ny Teknik ”Marknaden för små vindkraftverk är rent ut sagt sjuk” Arkiverad 1 maj 2009 hämtat från the Wayback Machine.
  18. ^ Ny Tekninik Här är företagen som säljer små vindkraftverk Arkiverad 25 april 2009 hämtat från the Wayback Machine.
  19. ^ Ny Teknik Varning för kinesiskt vindkraftverk Arkiverad 12 maj 2009 hämtat från the Wayback Machine.
  20. ^ Ny Teknik Familjen blev blåst på vindkraftslyckan Arkiverad 26 april 2009 hämtat från the Wayback Machine.
  21. ^ Sydsvenskan Platt fall efter några timmar Arkiverad 6 november 2009 hämtat från the Wayback Machine.
  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 Arkiverad 19 augusti 2010 hämtat från the Wayback Machine.
  24. ^ Svenska erfarenheter av vindkraft i kallt klimat – nedisning, iskast och avisning Elforsk rapport 04:13 Arkiverad 20 augusti 2010 hämtat från the Wayback Machine.
  25. ^ (engelska) Manual Vestas
  26. ^ ”Flygande is polisanmäld”. Sydsvenskan. 5 januari 2011. Arkiverad från originalet den 8 januari 2011. https://web.archive.org/web/20110108020037/http://www.sydsvenskan.se/lund/article1345476/Flygande-is-polisanmald.html. Läst 17 januari 2011. 
  27. ^ ”Istappar från vindkraftsverk blir rena projektiler”. E24. 27 december 2010. http://www.e24.se/business/ovrig-industri/istappar-fran-vindkraftsverk-blir-rena-projektiler_2519749.e24. Läst 17 januari 2011. 
  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 Arkiverad 1 mars 2010 hämtat från the Wayback Machine.
  30. ^ [a b] (engelska) Urban windmills harm the environment
  31. ^ [a b] (engelska) Encraft Warwick Wind Trials Project Report Arkiverad 24 december 2016 hämtat från the Wayback Machine.
  32. ^ ”Vindkraftverk bland bostadshus stoppas”. Skånska Dagbladet4. 20 januari 2011. http://www.skanskan.se/article/20110120/MALMO/701199779/1004/*/vindkraftverk-bland-bostadshus-stoppas. Läst 23 januari 2011. 
  33. ^ Bertil Persosn (7 februari 2011). ”Vingspetsar på vindkraftverk 150 m från E4 vid Brahehus, Gränna”. FSL. Arkiverad från originalet den 15 augusti 2011. https://web.archive.org/web/20110815034442/http://www.landskapsskydd.se/pic/FSL20110206Vindkraftsvingar%20111%20m%20fran%20E4%20vid%20Brahehus%2C%20Granna.pdf. Läst 9 februari 2011. 
  34. ^ Tidningen ERA nr 10-2010, sid 39 och följande
  35. ^ ”Vindkraft under byggnation 2019-2022 – Vindkraft” (på sv-SE). https://svenskvindenergi.org/okategoriserad/vindkraft-under-byggnation-2019-2022. Läst 16 februari 2019. 
  36. ^ Fruergaard, Wadia (25 september 2018). ”MHI Vestas Launches the First 10 MW Wind Turbine in History” (på en-US). MHI Vestas Offshore. http://www.mhivestasoffshore.com/mhi-vestas-launches-the-first-10-mw-wind-turbine-in-history/. Läst 16 februari 2019. 
  37. ^ Produktionsstatistik för Dalavind, Hedemora Energi AB Arkiverad 7 april 2014 hämtat från the Wayback Machine.
  38. ^ ”Top 10 Wind Turbine Manufacturers in the World (2018)”. Bizvibe Blog. 31 maj 2018. https://www.bizvibe.com/blog/top-10-wind-turbine-manufacturers-world/. Läst 16 februari 2019. 
  39. ^ www.vestas.com, Vestas-. ”Vestas Company News”. www.vestas.com. https://www.vestas.com/en/media/company%20news. Läst 16 februari 2019. 
  40. ^ Beräkning enligt företaget Kraftö AB.
  41. ^ Sanningar om vindkraft Bertil Persson, tekn. dr, docent i byggnadsmaterial Arkiverad 12 augusti 2010 hämtat från the Wayback Machine.

Externa länkarRedigera