Vindmøller ligner flyvemaskine propeller der snurre på stedet og kommer ingen steder. De tjener imidlertid et meget nyttigt formål. Der er energi i vinden, og deres gigantiske rotorer kan fange noget af det og omdanne det til elektricitet. Har du nogensinde undret dig over, hvordan vindmøller fungerer? Lad os kigge nærmere!
Hvordan generer en turbine elektricitet?
En turbine, som dem i en vindmøllepark, er en maskine, der spinder rundt i en bevægende væske (væske, gas eller vind) og fanger en del af den energi, der passerer. Mange former for maskiner bruger turbiner, fra jetmotorer til vandkraftværker og fra diesel-jernbanelokomotiver til vindmøller. Selv et barns legetøjs vindmølle er en simpel form for turbine.
De store rotorblader på forsiden af en vindmølle er “turbine” -delen. Bladene har en speciel buet form, der ligner flyvinger. Når vinden blæser forbi et flys vinger, bevæger det dem opad med en kraft, vi kalder opdrift; når det blæser forbi en turbines vinger, spinner det dem rundt i stedet for op. Vinden mister noget af sin kinetiske energi (bevægelsesenergi) og turbinen vinder lige så meget. Som du måske forventer, er mængden af energi, som en turbine producerer, proportional med det område, som dets rotorbladene berøre; med andre ord, jo længere rotoren blader, desto mere energi vil en turbine generere. Selvfølgelig hjælper hurtigere vind også: Hvis vinden blæser dobbelt så hurtigt, er der muligvis otte gange mere energi til rådighed for en turbine til at høste. Det skyldes, at vindenergien er proportional med hastighed.
Vind varierer hele tiden, så den elektricitet, der produceres af en enkelt vindmølle, varierer også. Sammenkobling af mange vindmøller sammen til en stor gård og sammenkobling af mange vindmølleparker i forskellige områder til et nationalt elnet producerer en meget mere stabil forsyning overordnet.
Vigtige dele af en vindmølle
Selvom vi taler om “vindmøller”, er turbinen kun en af delene inden for disse maskiner. For de fleste (men ikke alle) turbiner er en anden vigtig del en gearkasse, hvis gear konverterer den relativt langsomme rotation af spindelbladene til højere hastighed bevægelse – drejer drivakslen hurtigt nok til at drive elgeneratoren.
Generatoren er en væsentlig del af alle turbiner, og du kan tænke på det som en smule som en enorm, opskaleret version af dynamoen på en cykel. Når du kører på en cykel, drejer dynamoen på forhjulet rundt og genererer nok elektricitet til at tænde en lampe. Det samme sker i en vindmølle, bare at “dynamo” -generatoren drives af turbines rotorblade i stedet for ved et cykelhjul, og “lampen” er et lys i en persons hjem kilometer væk. I praksis bruger vindmøller forskellige typer generatorer, der ikke er som dynamoer overhovedet.
Hvordan virker en vindmølle?
En simple liste viser her, hvordan en turbine konverterer vind til elektricitet. Processen er beskrevet med 11 skridt.
- Vind (bevægelig luft, der indeholder kinetisk energi) blæser mod turbines rotorblade.
- Rotorerne drejer rundt, fanger noget af den kinetiske energi fra vinden og drejer den centrale drivaksel. Selv om rotorbladernes yderkanter bevæger sig meget hurtigt, drejer den centrale aksel (drivaksel) de er forbundet til meget langsomt.
- I de fleste store moderne turbiner kan rotorbladene svinge på naven (spidsen) foran, så de møder vinden i bedste vinkel (eller “tonehøjde”) for at høste energi. Dette kaldes en pitch kontrol mekanisme. På store turbiner drejer små elektriske motorer eller hydrauliske rammer bladene frem og tilbage under præcis elektronisk styring. På mindre turbiner er pitchreguleringen ofte helt mekanisk. Imidlertid har mange turbiner faste rotorer og ingen tonehøjdekontrol overhovedet.
- Inde i nacellen (hovedkroppen af turbinen der sidder oven på tårnet og bagved bladene) omdanner gearkassen omdrejningstallets hastighedshastighed (måske 16 omdrejninger pr. Minut, omdr./min.) til højhastighed (måske , 1600 omdr./min.) med en rotation hurtigt nok til at drive generatoren effektivt.
- Generatoren, umiddelbart bag gearkassen, tager kinetisk energi fra spindelakslen og omdanner den til elektrisk energi. Når generatoren kører ved maksimal kapacitet producerer en typisk 2MW turbine generator 2 millioner watt ved ca. 700 volt.
- Anemometre (automatiske hastighedsmåleapparater) og vindvinger på bagsiden af nacellen giver målinger af vindhastighed og retning.
- Ved hjælp af disse målinger kan hele den øverste del af turbinen (rotorerne og nacellen) roteres med en yaw motor, der er monteret mellem nacelle og tårnet, så den vender direkte ind i den modstridende vind og fanger den maksimale mængde energi. Hvis det er for blæsende eller turbulent, anvendes bremser for at stoppe rotorerne fra at dreje (af sikkerhedsmæssige årsager). Bremserne anvendes også under rutinemæssig vedligeholdelse.
- Den elektriske strøm produceret af generatoren strømmer gennem et kabel, der løber ned gennem indersiden af turbintårnet.
- En transformator transformerer strømmen til ca. 50 gange højere spænding, så den kan overføres effektivt til el-nettet (eller til nærliggende bygninger eller lokalsamfund).
- Hjem nyder herefter ren, grøn energi: turbinen producerer ikke drivhusgaser eller forurening, når den kører.
- Vind fortsætter efter vindmøllen med at blæse forbi turbinen, men med mindre fart og energi (af grunde, der forklares nedenfor) og mere turbulens (da turbinen har forstyrret sin strømning).
Hvordan høster vindmøller maksimal energi fra vinden?
Hvis du nogensinde har stået under en stor vindmølle, vil du vide, at de er gigantiske og monteret på utroligt høje tårne. Jo længere rotorblade, jo mere energi kan de fange fra vinden.
De gigantiske blade (typisk 70m i diameter, som er ca. 30 gange en ørnens vingefang) øger vindstyrken som et hjul og aksel, så en blid brise er ofte nok til at rotere bladene. Alligevel står vindmøller typiske i tomgang omkring 14 procent af tiden, og det meste af tiden genererer de ikke maksimal effekt. Dette er dog ikke en ulempe, men et bevidst træk ved deres design, der gør det muligt for dem at arbejde meget effektivt i skiftende vind. Tænk på det sådan her: Biler kører ikke hele tiden med højeste hastighed: En bils motor og gearkasse styrer hjulene så hurtigt eller langsomt, som vi skal gå efter trafikens hastighed. Vindmøller er analoge: ligesom biler, de er designet til at arbejde effektivt i en række forskellige hastigheder.
En typisk vindmølle nacelle er 85 meter fra jorden – det er som 50 høje voksne står på hinandens skuldre! Der er en god grund til dette. Hvis du nogensinde har stået på en bakke, der er det højeste punkt i miles omkreds, vil du vide, at vinden blæser meget hurtigere, når det er frit af bygninger, træer, bakker og andre forhindringer på jordoverfladen. Så hvis du sætter en turbines rotorblade højt i luften, fanger de betydeligt mere vindenergi, end de ville nede ved jorden. (Hvis du monterer en rotor på en vindmølle to gange så høj, vil den normalt give en tredjedel mere strøm.).
Da vindmøllevingerne roterer, skal de have kinetisk energi, som de “stjæler” fra vinden. Nu er det en grundlæggende fysiklov (kendt som energibesparelse), at du ikke kan udnytte energi ud af ingenting, så vinden skal faktisk sænkes lidt, når den passerer rundt om en vindmølle. Det er ikke rigtig et problem, for der er normalt rigeligt mere vind på bagsiden! Det er et problem, hvis du vil bygge en vindmøllepark: medmindre du er i et virkelig blæsende sted, skal du sørge for, at hver turbine er en god afstand fra dem omkring den, så de andre ikke påvirkes.
Fordele og ulemper ved vindmøller
Ulemper
Ved første øjekast er det svært at forestille sig, hvorfor nogen ville gøre indsigelse mod rene og grønne vindmøller, især når man sammenligner dem med beskidte kulfyrede kraftværker og risikable atomreaktorer, men de har nogle ulemper.
En af vindmøllens egenskaber er, at det ikke genererer noget nær lige så meget elektricitet som et konventionel kul-, gas- eller atomkraftværk. En typisk moderne turbine har en maksimal effekt på ca. 2 megawatt (MW), som er nok til at køre 1000 2kW elektriske brødristere samtidigt – og nok til at levere til ca. 1000 boliger, hvis den producerer energi omkring 30 procent af tiden. Verdens største offshore vindmøllepark kan nu lave 6-8 megawatt, da vindene er stærkere og mere vedholdende ude til havs og giver hermed strøm til omkring 6000 boliger.
I teorien vil du have brug for 1000 2MW møller til at lave så meget strøm som et virkelig stort (2000 MW eller 2GW) kulfyret kraftværk eller et atomkraftværk (hvoraf hver kan generere nok strøm til at køre en million 2kW brødristere på den samme tid); i praksis, fordi kul og atomkraftværker producerer energi forholdsvis konsekvent og vindenergi er variabel, vil du have brug for mere. (Hvis et godt atomkraftværk opererer med maksimal kapacitet 90 procent af tiden, og en god, helt ny offshore vindmøllepark klarer at gøre det samme 45 procent af tiden, ville du have behov for dobbelt så mange vindmøller til at gøre op for det.)
I sidste ende er vindkraft variabel, og et effektivt strømnet kræver en forudsigelig strømforsyning for at imødekomme varierende efterspørgsel. I praksis betyder det, at det kræver en blanding af forskellige typer energi, så udbuddet kan garanteres næsten 100 procent. Nogle af disse vil fungere næsten kontinuerligt (som atomkraft), nogle vil producere strøm i spidsbelastningstider (som vandkraftværker), nogle vil hæve eller sænke den strøm, de laver med kort varsel (som naturgas), og nogle vil generer strøm, når de kan (som vind). Vindkraft kan ikke være den eneste form for forsyning – og ingen har nogensinde gjort det.
Som vi lige har set, kan du ikke sætte et par tusind vindmøller tæt sammen og forvente, at de fungerer effektivt; de skal være adskilt i en vis afstand fra hinanden (typisk 3-5 rotordiameter i “krydsvind” retningen mellem hver turbine og dem på begge sider og 8-10 diametre i “nedadgående” retning mellem hver turbine og dem i foran og bagved). Sæt disse to ting sammen, og du kommer til den største og mest oplagte ulempe ved vindkraft: det tager meget plads.
Hvis du ønskede at drive et helt land med vind alene (som ingen nogensinde har foreslået), skal du dække et stort jordområde med turbiner. Du kunne stadig bruge næsten hele landet mellem turbinerne til landbrug; en typisk vindmøllepark fjerner mindre end 5 procent jord fra produktion (til turbinebaser, adgangsveje og netforbindelser). Du kunne montere turbiner ud i havet i stedet, men det rejser andre problemer og koster mere. Selv på land er tilslutningsarrayer af vindmøller til kraftnettet naturligvis en større forhindring end ledning af et enkelt ækvivalent kraftværk. Nogle landmænd og landejere har indvendinger mod nye kraftledninger, selv om mange tjener overskud ved at udleje deres land (muligvis med en garanteret indkomst i et kvart århundrede), hvorefter de fleste kan fortsætte med at bruge som før.
Fordele
På plus side er vindmøller rene og grønne: I modsætning til kulkraftværker, når de er konstrueret, producerer de ikke kuldioxid, der forårsager global opvarmning eller svovldioxid, der forårsager sur regn (en form for luft forurening). Når du har bygget dem, er den energi, de laver, ubegrænset og (undtagen reservedele og vedligeholdelse) gratis over en typisk levetid på 25 år. Det er endnu mere en fordel end det lyder, fordi omkostningerne ved at køre konventionelle kraftværker er stærkt gearet til risikable ting som engrospriser for olie og gas og volatiliteten på verdens energimarkeder.
Vindmølle tårne og naceller indeholder en del metal og betonfundamenter for at de ikke vælter (en typisk turbine har i alt 8000 dele), så konstruktion af dem har en vis miljøpåvirkning. Alligevel viser det sig, at de har blandt de laveste kuldioxidudledning af enhver form for elproduktion, væsentligt lavere end fossile brændstoffer, og de fleste solpanels installationer eller biomasseanlæg. Nu har atomkraftværker også relativt lave kuldioxidemissioner, men vindmøller har ikke problemerne med sikkerhed, forurening og bortskaffelse, hvilket mange mennesker forbinder med atomenergi, og de er meget hurtigere og lettere at konstruere. Vindmøller er også meget billigere, pr. Kilowatt-time strøm, de producerer: halvdelen af kernekraftprisen og to tredjedele prisen på kul (ifølge 2009-tal). Ifølge Global Wind Energy Council kan en turbine producere nok strøm i 3-6 måneder for at genvinde den energi, der anvendes i hele levetiden (opførelse, drift og genanvendelse).
Opsummering
Fordele
- Meget lav kuldioxidudledning (tæt på nul når konstrueret).
- Ingen luft- eller vandforurening.
- Ingen miljøbelastning fra minedrift eller boring.
- Ingen brændstof at betale for altid!
- Helt bæredygtigt – i modsætning til fossile brændstoffer, vil vinden aldrig løbe tør.
- Turbiner arbejder næsten overalt i verden, hvor det er pålideligt blæsende, i modsætning til fossile brændstofaflejringer, der kun er koncentreret i bestemte områder.
- I modsætning til fossilt brændstof er driftsomkostningerne for vindkraft forudsigelige år i forvejen.
- Frihed fra energipriser og politisk volatilitet af olie- og gasforsyninger fra andre lande.
- Vindenergipriserne vil blive mere konkurrencedygtige, da priserne på fossile brændstoffer stiger og vindteknologien modnes.
- Nye job inden for konstruktion, drift og fremstilling af turbiner.
Ulemper
- Høje up-front omkostninger (ligesom for store atomkraftværker eller fossilt brændstof kraftværker).
- Økonomiske tilskud var nødvendige for at gøre vindenergien levedygtig (selv om andre energiformer også er subsidierede, enten økonomisk eller fordi de ikke betaler de økonomiske og sociale omkostninger ved den forurening, de udleder).
- Ekstraomkostninger og kompleksitet ved at afbalancere variabel vindkraft med andre former for strøm.
- Ekstraomkostninger ved opgradering af elnettet og transmissionslinjerne, selv om hele systemet ofte er til fordel.
- Variabel produktion – selv om dette problem reduceres ved at drive vindmølleparker i forskellige områder og (i tilfælde af Europa) ved hjælp af sammenkoblinger mellem nabolande.
- Stor samlet arealudnyttelse, dog kan mindst 95 procent af vindmølleparken stadig bruges til landbrug, og offshore-turbiner kan bygges til søs.
- Kan ikke levere 100 procent af landets energi året rundt, på samme måde som fossile brændstoffer, atomkraft, vandkraft og biomasse kan.
- Tab af arbejdspladser til personer, der arbejder inden for minedrift og boring.
Hvad hvis vinden ikke blæser?
Nogle er bekymrede for, at fordi vinden er meget variabel, kan vi pludselig miste al vores elektricitet og befinde os i en “blackout” (et stort strømbrud), hvis vi stoler for meget på det.
Vindens virkelighed er helt anderledes. “Variabel” betyder ikke upålidelig eller uforudsigelig. Uanset hvor du bor, kommer din strøm fra et komplekst net (netværk) af indviklede sammenkoblede kraftgenererende enheder (lige fra gigantiske kraftværker til individuelle vindmøller). Utility selskaber er yderst dygtige til at balancere strøm produceret på mange forskellige steder, på mange forskellige måder, for at matche belastningen (den samlede strømforespørgsel), da den varierer fra time til time og dag til dag.
Kraften fra en enkelt vindmølle vil variere som vinden stiger og falder, men den samlede effekt produceret af tusindvis af turbiner, der er bredt spredt over hele landet, er meget mere regelmæssig og forudsigelig. For et land som England er det stort set altid blæsende et eller andet sted. Som Graham Sinden fra Oxford University’s Environmental Change Institute har vist, påvirker lave vindhastigheder mere end halvdelen af landet i kun 10 procent af tiden; for 60 procent af tiden lider kun 20 procent af britiske områder med lave vindhastigheder; og kun i en time om året lider 90 procent af britere af lave hastigheder. Med andre ord sikrer mange vindmøller på mange forskellige steder en forholdsvis stabil forsyning af vindenergi næsten hele året rundt.
Selvom det er rigtigt, at du måske har brug for 1000 vindmøller til at producere så meget strøm som et stort kul eller atomkraftværk, er det også sandt, at hvis en enkelt vindmølle fejler eller stopper med at dreje, forårsager det kun 1 / 1000th (0,1 procent) af forstyrrelsen du får, når et kul- eller atomkraftværk fejler eller går offline til vedligeholdelse (hvilket sker oftere end du måske tror). Det er også værd at huske på, at vind er forholdsvis forudsigelig flere dage i forvejen, så det er nemt for kraftplanlæggerne at tage højde for dens variabilitet, da de regner med, hvordan man får nok strøm til at opfylde forventede krav.
Modstandere af vindkraft har endda antydet, at det kan være modproduktivt, fordi vi ville have brug for at opbygge ekstra reservekul-, atomkraft-, biomasse- eller vandkraftværker (eller en måde at lagre vindgenereret elektricitet) for de tidspunkter, hvor der ikke er nok vind. Det ville helt sikkert være sandt, hvis vi fik al vores energi fra en enkeltmotoriseret vindmølle – men det gør vi ikke! I virkeligheden har mange lande, der har store forsyninger af vindenergi, også mange andre energikilder; så længe vindkraft udgør mindre end halvdelen af landets samlede energi, er vindens variabilitet ikke noget problem.
(Danmark producerer for eksempel 20 procent af sin elektricitet – og opfylder 43 procent af sin topbelastede vind; Eric Martinots artikel “Hvordan integrerer og balancerer Danmark vedvarende energi i dag?” Giver et glimrende overblik over, hvordan landet har formået at integrere store mængder vindkraft i sit net.)
I praksis har hvert lands elektricitet altid været fra en blanding af forskellige energikilder, og den ideelle blanding varierer fra land til land af geografiske, praktiske og politiske grunde.
Hvordan kan vi gemme vindens energi?
Vind kan spille en større rolle i fremtiden, hvis vi kunne finde omkostningseffektive måder at lagre elektricitet produceret på blæsende dage til tider, når der er lidt eller ingen vind at høste. En afprøvet mulighed er pumpet oplagring: lavpris-elektricitet bruges til at pumpe store mængder vand op på et bjerg til en højtliggende sø, der er klar til at blive drænet tilbage ned ad bjerget, gennem en vandkraftsturbine, i tider med stor efterspørgsel når el er mere værdifuld. (I virkeligheden opbevarer vi elektricitet som gravitationspotentiale energi, som vi kan gøre på ubestemt tid, og vend det tilbage til elektricitet, når det passer os.)
Batterier kunne også være en contender hvis vi havde nok af dem. Der har været forslag om at bruge en flåde af elbiler som et kæmpe kollektivt batteri, til netop dette formål, men selv store batterier, der er forbundet med individuelle vindmølleparker, kan være meget nyttige. Statoil planlægger for eksempel at installere et stort vinddrevet batteri kaldet BatWind i Skotland. Flyhjul (tunge, lavfriktionshjul, der opbevarer energi, når de spinder) er en anden mulighed.
Er vind fremtidens energi?
Det har bestemt en rolle at spille, men hvor stor en del afhænger af, hvor i verden du er, og om der findes bedre alternativer, der passer til din lokale geografi. I solrig Australien vil solen for eksempel være billigere. I lande, der har blæsende vinde (når efterspørgslen efter elektricitet er højest), kan vindmøller være en stærk konkurrent; Den 11. august 2016 producerede for eksempel vindmøller i (blæsende) Skotland nok energi til at drive hele landet. Lande med masser af fossilt brændstofværker og ingen planer om at gå på pension hurtigt, vil måske finde investeringer i kulstofopsamling og -opbevaring (skrubning af kuldioxid fra udledninger af kul og andre fossile kraftværker) en klog mulighed, selv om det stadig er en stort set uprøvet teknologi.
I sidste ende er det et politisk valg såvel som en videnskabelig. I Tyskland, hvor folk har stærk modstand mod atomkraft, har der været store investeringer i vindenergi. Danmark, som er et andet europæisk land, planlægger at flytte til 100 procent vedvarende energi med et massivt engagement i vinden. Selv om Kina investerer tungt i vindkraft, udgør det stadig ca. tre fjerdedele af sin elektricitet fra kul. Kort sagt, mens væksten af vindkraft er imponerende, spiller den stadig en forholdsvis lille del i at levere verdens elektricitet.
Vi håber dette indlæg gav dig den viden du søgte og at du nu sikkert kan sige du er blevet lidt klogere på vindmøller og hvordan de fungerer. Vi håber du vil smide en kommentar med ris eller ros og så husk og hold øje med vores nye indlæg!
Sindssyg hjemmeside