Hur vindkraft fungerar?

Det är ibland svårt att föreställa sig luft som en vätska. Det verkar bara så … osynligt. Men luft är en vätska precis som någon annan, förutom att dess partiklar är i gasform istället för vätska. Och när luften rör sig snabbt, i form av vind, rör sig även dessa partiklar snabbt. Rörelse innebär kinetisk energi, vilket kan fångas upp, precis som energin i rörligt vatten kan fångas upp av turbinen i en vattenkraftsdamm.

I fallet med en vind-elektrisk turbin är turbinbladen utformade för att fånga upp den kinetiska energin i vinden. Resten är nästan identiskt med en vattenkraftsuppsättning: När turbinbladen fångar upp vindenergi och börjar röra sig, snurrar de en axel som leder från rotorns nav till en generator. Generatorn omvandlar sedan den rotationsenergin till elektricitet. I sin kärna handlar det om att överföra energi från ett medium till ett annat.

Hur många helgdagar 2024

All vindkraft börjar med solen. När solen värmer upp ett visst område av marken absorberar luften runt det området en del av den värmen. Vid en viss temperatur börjar den varmare luften stiga mycket snabbt eftersom en given volym av varm luft är lättare än en lika stor volym av svalare luft. Snabbare (varmare) luftpartiklar utövar mer tryck än långsammare partiklar, så det krävs färre av dem för att upprätthålla det normala lufttrycket på en given höjd (se Hur heta luftballonger fungerar för att lära dig mer om lufttemperatur och tryck).

När den lättare varma luften plötsligt stiger, strömmar svalare luft snabbt in för att fylla det tomrum som den varma luften lämnar bakom sig. Den luften som rusar in för att fylla tomrummet är vind.

Vilka är delarna av en vindturbin?

Den enklaste möjliga vindenergiturbinen består av tre avgörande delar:

• Rotorblad – Bladen är i grunden seglen på systemet; i sin enklaste form fungerar de som hinder för vinden (mer moderna bladdesigner går bortom hindermetoden). När vinden tvingar bladen att röra sig har den överfört en del av sin energi till rotorn.
• Axel – Vindturbinens axel är ansluten till mitten av rotorn. När rotorn snurrar, snurrar axeln också. På det här sättet överför rotorn sin mekaniska, roterande energi till axeln, som går in i en elektrisk generator på den andra änden.
• En generator utnyttjar elektromagnetisk induktion för att producera elektrisk spänning, vilket driver elektrisk ström.
• Den grundläggande strukturen hos en generator inkluderar magneter, en ledare (vanligtvis en lindad tråd) och en roterande axel.
• När rotorn snurrar, genereras spänning i ledaren genom elektromagnetisk induktion, vilket driver elektrisk ström för distribution.

Modern vindkraftsteknik

När man pratar om moderna vindkraftverk tittar man på två huvudsakliga konstruktioner: horisontella och vertikala axlar. Vertikala axelvindkraftverk (VAWTs) är ganska sällsynta. Den enda som för närvarande är i kommersiell produktion är Darrieus-turbinen, som ser ut som en visp.

I ett VAWT är axeln monterad på en vertikal axel, vinkelrätt mot marken. VAWTs är alltid riktade med vinden, till skillnad från deras horisontella axel motsvarigheter, så det krävs ingen justering när vindriktningen ändras; men en VAWT kan inte börja röra sig av sig själv – den behöver en boost från sitt elektriska system för att komma igång. Istället för en torn använder den vanligtvis stag för stöd, så rotorns höjd är lägre. Lägre höjd innebär långsammare vind på grund av markinterferens, så VAWTs är generellt mindre effektiva än HAWTs. Å andra sidan är all utrustning på marknivå för enkel installation och service; men det innebär en större fotavtryck för turbinen, vilket är en stor nackdel i jordbruksområden.

VAWTs kan användas för småskaliga turbiner och för att pumpa vatten på landsbygden, men alla kommersiellt producerade, storskaliga vindkraftverk är horisontella axelvindkraftverk (HAWTs).

Som namnet antyder är HAWT-axeln monterad horisontellt, parallellt med marken. HAWTs behöver ständigt anpassa sig efter vinden med hjälp av en justeringsmekanism för gungning. Gungningsystemet består vanligtvis av elektriska motorer och växellådor som flyttar hela rotorn vänster eller höger i små steg. Turbinens elektroniska styrenhet läser av positionen för en vindflöjesenhet (antingen mekanisk eller elektronisk) och justerar rotorns position för att fånga upp den mest tillgängliga vindenergin.

HAWTs använder ett torn för att lyfta turbinens komponenter till en optimal höjd för vindhastighet (och så att bladen kan rensa marken) och tar upp mycket lite markyta eftersom nästan alla komponenter är upp till 260 fot (80 meter) i luften.

Stora HAWT-komponenter:

• Rotorblad – fångar vindens energi och omvandlar den till rotationsenergi för axeln
• Axel – överför rotationsenergi till generatorn
• Nacelle – hölje som håller växellådan (ökar hastigheten på axeln mellan rotornavet och generatorn), generator (använder axelns rotationsenergi för att generera elektricitet med elektromagnetism), elektronisk styrenhet (övervakar systemet, stänger av turbinen vid fel och kontrollerar gungningsmekanismen), gungningskontroller (rör rotor för att anpassa med vindens riktning) och bromsar (stannar rotationsaxeln vid kraftöverbelastning eller systemfel).
• Torn – stöder rotor och nacelle och lyfter hela installationen till en högre höjd där bladen säkert kan rensa marken
• Elektrisk utrustning – för elektricitet från generatorn ned genom tornet och kontrollerar många säkerhetsfunktioner hos turbinen
• Från början till slut ser processen med att generera elektricitet från vind – och leverera den elektriciteten till människor som behöver den – ut ungefär så här:

Turbinaerodynamik

• Moderna vindkraftverk använder sofistikerade aerodynamiska principer för att effektivt fånga vindenergi.
• Turbinblad är utformade som flygplansvingar, med en rundad yta och en platt yta, för att skapa lyft- och dragkrafter.
• Turbinblad är vridna för att behålla en optimal vinkel för lyft-till-dragkraftsförhållande.
• Storleken på turbinbladen och tornhöjden påverkar signifikant energiutmatningen från turbinen.
• Att fördubbla rotordiametern kan resultera i en fyrdubbling av energiutmatningen, och högre tornhöjder fångar mer vindenergi på grund av ökad vindhastighet.

Vindkraftresurser och ekonomi

• Vindturbiner genererar globalt elektricitet motsvarande åtta stora kärnkraftverk, inklusive storskaliga och små turbiner för individuell användning.
• En liten 10 kW turbin kan producera upp till 16 000 kWh årligen, tillräckligt för att försörja cirka 600 hushåll.
• Stora vindturbiner, som vanligtvis genererar 1,8 MW elektricitet årligen under idealiska förhållanden, kan försörja nästan 600 hushåll.
• Trots att kärn- och kolenergiverk är billigare är de mindre miljövänliga jämfört med vindturbiner.
• Vindenergi är ren, förnybar och erbjuder energi oberoende, vilket gynnar avlägsna områden utan tillgång till det centrala elnätet.
• Utmaningar med vindenergi inkluderar svängningar i vindhastigheter som påverkar kraftgenerering, bullerförorening, fara för fåglar och fladdermöss samt potentiell markerosion i ökenområden under installationen. Dessutom kräver vindenergisystem backup från icke-förnybara energikällor under perioder med låg vind, även om förespråkare hävdar att de övergripande miljöfördelarna uppväger dessa nackdelar.

Resurser : howstuff