VINDENERGI Dan Inborr Mathias Björk Högskolen I Östfold, Elektro Energiteknikk,

Transkript

1 VINDENERGI Dan Inborr Mathias Björk Högskolen I Östfold, Elektro Energiteknikk,

2 SAMMANFATTNING Vinden är en förnybar energikälla, så den tar aldrig slut. För att få ett lönsamt (ekonomiskt) vindkraftverk så behövs en stor vingförsedd rotor (ca m). Det finns två typer av vindturbiner: Lyft- och dragtypen. Lyfttypen har en hög hastighet, men ett lågt vridmoment. Dragtypen är tvärtom. Turbinerna kan ha vertikal- eller horisontell axel. Horisontell är vanligast och har i regel högst verkningsgrad. Den högsta teoretiska effektfaktorn för ett vindkraftverk är 59.3 %, men i verkligheten är den ca 40 %. INNEHÅLLSFÖRTECKNING SAMMANFATTNING Inledning Olika typer av vindturbiner Vindturbiner av lyfttypen och dragtypen Turbiner med horisontell- respektive vertikalaxel Turbiner med vertikalaxel Effekt- och vridmomentsfaktor Effektfaktorn Förhållande mellan Cp, Ct och λ Verkningsgrad Placering av wecs På land Till havs Bullernivå Diskussion... 9 SLUTSATS REFERENSFÖRTECKNING HIOF Sida 2

3 1. INLEDNING Denna rapport behandlar ämnet: Vindenergi. Vi beskriver vilka olika typer det finns, var man kan placera dem och hur effektiva vindkraftverken är. Vindkraft är energi som utvinns ur vinden m.a.o. en strömmande luftmassa i atmosfären. Vindkraften är en förnybar energikälla så den är värd att satsa på. Ett vindkraftverk kräver en relativt stor vingförsedd rotor, i diameterklass m, för att bli ekonomiskt lönsam för storskalig elproduktion. I slutet av 2008 var världens nominella kapacitet av vindenergi på 121,2 gigawatt, vilket är ca 1,5 % av världens elförbrukning. Man talar ofta om WECS i dessa sammanhang (Wind Energy Conversion System) (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 b) (Tiwari & Ghosal, 2007). 2. OLIKA TYPER AV VINDTURBINER 2.1 VINDTURBINER AV LYFTTYPEN OCH DRAGTYPEN Vindturbinerna är namngivna på basis av geometriska utformningar och beroende av hur vinden flödar över strömningsytan dvs. vingarna. Det finns huvudsakligen två olika typer av WECS, de som fungerar med aerodynamisk lyft och aerodynamisk drag (Tiwari & Ghosal, 2007). Höghastighetsturbiner använder sig av lyftkraften för att få vingarna att rotera. Medelhastigheten på vingarna hos denna typ är flera gånger högre än vindhastigheten. Låghastighetsturbiner utnyttjar dragkraften för att ge upphov till rörelse på vingarna. Hastigheten på vingarna hos denna typ är mycket lägre än vindhastigheten (Tiwari & Ghosal, 2007). HIOF Sida 3

4 Vridmomentet som produkt av dragkraften hos låghastighetsturbinerna är mycket högre än på höghastighetsturbinerna där vridmomentet är en produkt av lyftkraften. Hos moderna WECS så används främst lyfttypen för att generera elektricitet. Kraften som man får ut från en turbin av lyfttypen är många gånger större än den man får ur en turbin av dragtypen med ungefär samma yttre dimensioner och vindhastighet. För generering av elektricitet så är det väsentligt att man har en hög hastighet på rotorn för att få en bättre verkningsgrad hos generatorn. Det är främst pga. dessa två orsaker som turbiner som utnyttjar sig av lyftkraften används hos producering av elektricitet (Tiwari & Ghosal, 2007). 2.2 TURBINER MED HORISON TELL- RESPEKTIVE VERTIKALAXEL Vindturbiner kan också kategoriseras i om de har en horisontell axel eller en vertikal axel. En vindturbin med horisontell axel så har en axel som snurrar vinkelrätt i förhållande till marken, men en med vertikalaxel så snurrar axeln parallellt i för hållande till marken. Turbiner med horisontellaxel är de vanligaste och mest utvecklade turbinerna pga. deras höga verkningsgrad. Dessa turbiner är beroende av vindriktningen och behöver ett styrsystem eller en vinge som styr dem i rätt riktning i förhållande till vinden (Tiwari & Ghosal, 2007) (Twidell & Weir, 2006). 2.3 TURBINER MED VERTIKALAXEL Vertikalaxlade vindturbiner kan arbeta oberoende av vindriktningen, vilket leder till att man inte behöver en vinge eller någon typ av styrsystem för att de skall snurra korrekt. Dessa turbiner har en fördel att man kan lätt montera fast generatorn eller en växellåda direkt på axeln på marken. När turbinen roterar så lider den icke heller av påfrestningar pga. gravitationen. Men vertikalaxlade turbiner har också en hel del nackdelar: De kan inte starta sig själva Vridmomentet varierar med vartenda varv när turbinbladen vrider sig ur och in i vindriktningen Hastighetsreglering blir väldigt svår vid höga vindhastigheter HIOF Sida 4

5 Forskning och utveckling bedrivs hela tiden för att göra vertikalaxlade vindturbiner så effektiva som möjligt (Tiwari & Ghosal, 2007) (Twidell & Weir, 2006). 3. EFFEKT- OCH VRIDMOMENTSFAKTOR 3.1 EFFEKTFAKTORN Det största möjliga beloppet man kan få på effektfaktorn C p är Detta värde kallas Betz-gränsen (Betz limit) uppkallat efter den Tyske aerodynamikern Albert Betz (1919). Denna gräns tillämpas alltid när det är frågan om vindturbiner som är placerade i externa luftströmmar. Den tillämpas också när det handlar om att använda kraften från strömmande vattenmassor i älvar och vid tidvattenförändringar (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 a) (Tiwari & Ghosal, 2007). 3.2 FÖRHÅLLANDE MELLAN C p, C t OCH λ I figur 1 kan man se tre olika storheter: C p som tidigare nämnt är effektfaktorn, C t som är vridmomentsfaktorn och λ som är hastigheten på spetsen av vingarna. I den övre grafen ritas C p emot λ. Som man kan se är det den trevingade rotorn som har högst verkningsgrad (E 1 ). I den nedre grafen ritas C t emot λ. I detta fall så är det en turbin av typen American Multiblade som är starkast, därför används denna typ oftast hos pumpanläggninar för man får ett väldigt högt vridmoment vid låga hastigheter (Twidell & Weir, 2006) (Tiwari & Ghosal, 2007). HIOF Sida 5

6 Figur 1. Olika vindturbiners egenskaper (P.L.Fraenkel, 1986) HIOF Sida 6

7 4. VERKNINGSGRAD Eftersom vindhastigheten inte är konstant, så är den årliga energiproduktionen aldrig så mycket som summan av märkskyltarnas märkeffekt multiplicerat med totala antal timmar på ett år. Förhållandet mellan den verkliga produktionen och det teoretiska maxvärdet kallas verkningsgrad. Typiska värden är mellan %. T.ex. en 1 MW turbin med ett värde på 35 % kommer inte att producera 8.76 GWh på ett år (1 * 24 * 365), utan den kommer bara att producera 1 * 0.35 * 24 *365 = GWh. Till skillnad från kraftverk baserade på fossila bränslen, så är verkningsgraden begränsad av vindens egenskaper. Verkningsgraden vid andra typer av kraftverk är oftast baserad på bränslekostnader, med en liten del i underhåll (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 a). 5. PLACERING AV WECS 5.1 PÅ LAND När man placerar vindkraftverk på land så placerar man dem oftast vid kusten, för där blåser det i allmänhet mycket mera än i inlandet. Den bromsande effekten av markvegetation t.ex. träd m.m. blir försumbar när man monterar rotorn på vindkraftverken på en höjd som är högre än markvegetationen. En primär vindkälla är konvektionen som orsakas av temperaturskillnaden mellan land och hav. När man placerar vindkraftverk inåt landet så placerar man oftast dem längs bergskedjor eller bergspass, för att höjdskillnaderna gör att vindhastigheterna oftast är högre där. Figur 2 illustrerar hur vinden beter sig på olika höjder i förhållande till marken (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 a) (Gipe, 2004) (Boyle, 2004). HIOF Sida 7

8 Figur 2. Beskriver vinden mot landvegetationen (Gipe, 2004) 5.2 TILL HAVS Vindkraftverk som placeras långt ute till havs orsakar inte klagomål i samma utsträckning som landbaserade. Placeras de så långt bort att ingen ser dem så kommer det inga klagomål från markägarna med strandtomter som klagar på utsikten. Men när de är placerade långt ute till havs så blir de mycket mer svårtillgängliga och driftsmiljön till havs är svårare som syns i figur 3. Abrasion och korrosion på grund av den saltmättade luften är ett problem som ger både dyrare komponenter och ökar driftoch underhållskostnaderna (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 a) (Boyle, 2004). Figur 3. Två vindkraftverk ute till havs (Garyhaq, 2009) HIOF Sida 8

9 5.3 BULLERNIVÅ När man mäter bullernivån så utgår man från A-vägda ljudtrycksnivåer. Det är ljud från vindkraftverk vid en vindhastighet på 8 m s på 10 m höjd vid medvind. Vid bostäder bör ljudnivån inte vara högre än 40 dba. I friluftsområden och i områden med lågt bakgrundsljud bör den inte överstiga 35 dba (Naturvårdsverket, 2009). 6. DISKUSSION Vad vi tycker att fördelarna med vindkraft är: Förnybar energikälla Förorenar inte Krävs ingen bränsletransport Vad vi tycker att nackdelarna med vindkraft är: Stör djurlivet till lands och havs Fula och bullrar Dålig verkningsgrad Fördelar: Vinden är en förnybar energikälla och är en av de bästa drivmedlen man kan tänka sig om man tänker på miljöns synvinkel. När den inte förorenar så menar vi när den står på plats och producerar el. Om man tänker på hela processen så förorenar den när den tillverkas, när den förflyttas till sin plats och när den skall underhållas. Vindkraftverk behöver inget drivmedel förutom själva vinden. Nackdelar: I och med att vindkraftverk bullrar så stör de djurlivet. Att de är fula är ett relativt begrepp, men det är många som inte tycker om dem och vill inte att de skall finnas HIOF Sida 9

10 nära deras bostad. Verkningsgraden är inte så bra (bara ca 40 %), men om man tänker att man inte behöver något bränsle för den energi man får så är ju allt man får en vinst. Även om nackdelarna i detta skede verkar vara större än fördelarna tycker vi att denna energikälla är värd att satsa på nu och framöver. Eftersom fossila bränslen håller på att ta slut så måste vi hitta andra energikällor och då är vindenergin ett bra alternativ. Varför det är dyrt med vindkraftverk är både att de är dyra att tillverka och att de nästan alltid skall stå på svårtillgängliga platser. Så hela processen från tillverkning till att de står på sin plats och producerar energi är rätt så dyr. SLUTSATS Vindenergi är ett miljövänligt sätt att producera energi. Vindkraftverken har dålig verkningsgrad. De stör djurlivet i och med att de bullrar. Men hittar man en bra plats där det blåser mycket och det inte stör djurlivet så passar det bra med vindkraftverk. HIOF Sida 10

11 REFERENSFÖRTECKNING Boyle, G. (2004). Renewable energy, power for a sustainable future. Oxford: Oxford. Garyhaq. (2009). Our Climate, Our Choice. Garyhaq: Gipe, P. (2004). Wind power:renewableenergy for home, farm and business. Chelsea: Chelsea Green Publishing. Kaltschmitt, M., Streicher, W., & Wiese, A. (2007). Renewable Energy, Technology, Economics And Environment. New York: Springer. Naturvårdsverket. (2009). Riktvärden för ljud från vindkraft. Naturvårdsverket: P.L.Fraenkel. (1986). Water lifting devices. Rom: Food and agriculture organisation of the united nations. Tiwari, G., & Ghosal, M. (2007). Fundamentals of renewable energy sources. Oxford: Alpha Science International Ltd. Twidell, J., & Weir, T. (2006). Renewable energy resources, Second Edition. Oxon: Taylor and Francis. Wikipedia, The Free Encyclopedia. (2010 a). Wind Power. (Wikimedia Foundation, Inc) Wikipedia, The Free Encyclopedia: Wikipedia, The Free Encyclopedia. (2010 b). Vindkraft. (Wikimedia Foundation, Inc) Wikipedia, The Free Encyclopedia: HIOF Sida 11