Respons  |  Sök  |  Sidkarta  |  In English  |  Suomeksi

Vad är vindkraft?

Vindkraft är att med vindturbin omvandla vindens dvs. luftströmningens kinetiska energi till elenergi.

Vindturbiner finns av mycket olika typ, vertikalaxlade och horisontalaxlade, med 1, 2, 3, och flera rotorvingar. De för större kraftproduktion använda verken är horisontalaxlade och 3-bladiga. Små, t.ex. för stugbruk planerade kraftverk har vanligen 2 eller 3 blad. På taken till fastigheter, t.ex. i stadsomgivning har installerats kraftverk av sk. Sovoniustyp.

I gamla för spannmålsmalning använda väderkvarnar baserade sig rotationen på vindens tryckkraft. I moderna vindkraftverk är rotorbladen aerodynamiskt utformade, och kraften som sätter igång rotorn är den lyftkraft som luftströmningen åstadkommer. Ett stort vindkraftverks rotor roterar ca 20-30 varv per minut.

Vindens rörelseenergi eller kinetiska energi e kan beräknas med formeln

se Formel 1

där ρ är luftens täthet (kg/m3) och V vindens hastighet (m/s).
Den vinkelrätt mot ytan A riktade vindens kraft FV beskrivs med formeln
FV= c *0,5*ρ*V2*A
där c är den aktuella ytans luftmotståndsfaktor och V vindhastighetens horisontala resultant vinkelrätt mot ytan A.

I fysiken är effekten (P) det utförda arbetets eller använda energins mängd per tidsenhet. Effektens SI-enhet är Watt (W), som motsvarar energimängden en joule per sekund. Förmågan hos vindhastigheten V att utföra arbete, dvs. vindens effekt per ytenhet (W/m2) fås ur formeln

PV = FVV = 0,5 ρ V3 A

Vindkraftverkets rotor skapar ett hinder i strömningsfältet, som leder till att strömningslinjerna sprider sig redan före rotorn, och strömningen omformas till virvlar bakom rotorn. Nära rotorn blir
V0>Vi>Vw
P0>Pi>Pw
där underindex 0 hänvisar till övre strömmens tillstånd, i för rotorn och w för tillståndet bakom rotorn.

Rotorn förmår inte utnyttja hela den energi som strömmar genom rotorns svepyta. Betz visade (1926) att man ur den luftströms energi, som flödar genom rotorn, maximalt får ut:

se Formel 2.

Med moderna vindturbiner är det möjligt att komma nära Betzs gräns, då såväl rotorns rotationshastighet som bladvinklar kan regleras.

Förhållandet mellan den effekt vindkraftverket producerar och vinden (effektkurvan) varierar med kraftverkstyp och art. I praktiken motsvarar den effekt kraftverket producerar inte hundraprocentigt effektkurvan, utan det uppstår spridning kring effektkurvan. Om t.ex. rotorbladen är nedisade faller den producerade effekten betydligt under den beräknade.

Vindkraftverket kan inte utnyttja vindens hela hastighetsområde. Kraftverken har för varje typ en specifik startvindhastighet (vanligen 3-4 m/s för stora kraftverk av MW-klass) samt av säkerhetsskäl en stoppvindhastighet ( vanligtvis 25 m/s, somliga något under), utanför vilka gränser vindkraftverken inte producerar.

På vindenergin och effekten inverkar luftens täthet. I vindenergiberäkningar och produktionsestimat för kraftverken används vanligen lufttäthetsnärmevärdet ρ = 1,3 kg/m3, som motsvarar torr lufts täthet i standardatmosfär vid havsnivå, vid lufttrycket 1 atm = 1013,25 mb = 1013,25 hPa (motsvarande 760 mm Hg) och med lufttemperaturen 15 ºC. På årsnivå förbättras beräkningsnoggrannheten av effekten P inte nämnvärt av att lufttäthetsvariationerna beaktas, men då man beräknar månatliga effektvärden kan beaktandet av täthetsvärden medföra avvikelser på 5-6 % (Tammelin, 1991). I denna vindatlas har för givna energivärden använts lufttäthetsvärden motsvarande vart fall och för kraftverkens produktionsvärden har använts, ur momentana värden beräknade, månatliga medelvärden för lufttätheten.

Vindkraftverkens storlek, rotordiametrar och navhöjder har under tjugo år vuxit avsevärt och kommer fortsatt att växa. För att estimera ett vindkraftverks produktion måste man kunna bestämma vindhastigheten och ?mätvinden?, inte bara för navhöjden utan också för hela rotorytan.

I början av 1990-talet, när de första vindatlaserna gjordes, beskrevs vindens vertikala variationer med en enkel logaritmisk profil. Med tilltagande höjd i de undre luftlagren räcker inte den allmänt använda logaritmiska vindprofilen till för att beskriva de på olika höjder rådande vindförhållandena, utan med kommer nya, på vindpotentialen inverkande, faktorer såsom stabilitet och undre atmosfärens jetströmmar, som inte alls kunde beaktas i de vindatlaser som byggde på väderstationernas vindmätningar.



 



Formel 1.



Vindens energiinnehåll PV, vindkraftverkets teoretiska maximala energi Pmax samt för typiska vindkraftverk, med fasta och vridbara rotorblad, beräknade effektkurvor.



 



Formel 2.



 



Vindkraftverkens storlek, rotordiametrar och navhöjder har under tjugo år vuxit avsevärt och kommer fortsatt att växa. För att estimera ett vindkraftverks produktion måste man kunna bestämma vindhastigheten och mätvinden, förutom för navhöjden också för hela rotorytan.