Vad är ett vindkraftverk?
Vindkraftverk är utvecklingen av de klassiska väderkvarnarna som kan ses i mer landsbygdsområden i världen. Deras syfte är att minska beroendet av fossila bränslen för att skapa energi och även att skapa energi på ett mindre slösaktigt sätt. De fungerar genom att använda vindens kinetiska energi, som trycker på turbinens blad och snurrar en motor som omvandlar den kinetiska energin till elektrisk energi för konsumentbruk.
Vindkraftverk är roterande maskiner som kan användas direkt för slipning eller kan användas för att generera elektricitet från vindens kinetiska kraft. De tillhandahåller den rena och förnybara energin för oss i både hemmet och kontoret. Vindkraftverk är ett bra sätt att spara pengar och göra miljön ren och grön.
Denna process har anpassats för användning för olika applikationer och kan ses användas av båtar, trafikskyltar eller hela samhällen som använder en vindkraftspark för kraft. Utvecklingen av vindkraftverk är ett stort steg mot att se över hur vi producerar vår energi.
I grund och botten finns det två typer av vindgeneratorer, de med vertikal axel och de med horisontell axel. De kan användas för att generera el både på land och till havs. Vindkraftverk kan kombineras för att bilda kluster som kallas ”vindparker” som används av stora företag för att använda den kraften som backup. Förutom att generera elektricitet kan de också användas för att mala spannmål, pumpa vatten och ladda batterier.
Historiskt sett har vindkraftverk använts för segling, bevattning och malning av spannmål. Det var i början av 1900-talet som den användes för att generera kraft. Idag kan stora vindkraftverk ses på landsbygden eller nära havskusten där vindens hastighet generellt är under hela dagen. En enhet som kallas vindresursbedömning används för att uppskatta vindhastigheten.
Vindkraftverkskomponenter
Vindkraftverk består av många olika delar av utrustning som alla tjänar ett syfte att leverera elektricitet där den är tänkt att gå. Av de många olika delarna fungerar listan nedan som en allmän ritning för de huvudkomponenter som kan och ofta kommer att finnas i vindturbinsystem oavsett typ av design.
- Rotor – Rotorn är gjord av blad som är fästa på ett mittstycke. Bladen är formade så att de vänder sig när vinden trycker mot dem
- Pitch Drive – Används för att rotera bladen för att klara vind med hög hastighet
- Nacelle – Rotorn är ansluten till en husenhet som kallas en nacelle, som skyddar olika andra komponenter som är nödvändiga för vindkraftsdriften
- Broms – Nödvändig för att bromsa rotorn
- Låghastighetsaxel – Fästs på rotorn och vrider sig när rotorn vrids i förhållandet 1:1
- Växellåda – Har samma funktion som en bil, rotorn snurrar långsamt när vinden trycker mot den och växellådan eller transmissionen ökar den rotationshastigheten för generatorn
- Höghastighetsaxel – Fästs på växellådan och generatorn och snurrar med högre hastighet än rotorn eller låghastighetsaxeln
- Generator – Faktisk mekanism som omvandlar den roterande kinetiska energin till elektricitet
- Vindflöjel – Detekterar vindens riktning och justerar rotorn och gondolen för att kompensera
- Yaw Drive – Håller rotorn och därmed turbinerna mot vinden
- Torn – Höjer de ovan nämnda komponenterna till en höjd som optimerar vindexponeringen
Hur fungerar vindkraftverk?
Vindturbiner arbetar på ett system som består av många kritiska komponenter som gör att kinetisk vindenergi kan omvandlas till elektrisk energi. Oavsett vilken typ av vindturbinsystem, fungerar de alla enligt samma princip som gör att en generator kan producera el. Denna princip är att om magneter roteras runt en trådspole, eller en trådspole roterar inom ett magnetfält, produceras tillräckligt snabbt elektricitet.
Den totala utrustningen av magneter och ledare utgör generatorn. Att använda vinden för att vrida blad skapar den kraft som behövs för att vrida magneterna eller ledarspolen som i sin tur skapar elektricitet. Nedan följer en steg-för-steg-process som belyser de metoder med vilka ett vindturbin faktiskt kommer att producera el.
1. Tornet är konstruerat som placerar vindturbinsystemet på rätt höjd där vinden färdas med en högre och mer konstant hastighet
2. Rotorbladen utsätts för vind som tvingar dem att börja svänga
3. När rotorn snurrar snurrar låghastighetsaxeln, som är ansluten till en växellåda, i samma takt
4. Växellådan tar denna långsamma rotationshastighet och genom korrekt växling förvandlas den till en högre rotationshastighet
5. Höghastighetsaxeln, som är på den utgående änden av växellådan och ansluten till en generator, snurrar med högre hastighet
6. Generatorn snurrar med denna höga hastighet som snurrar magneter runt en spole av metalltråd och genererar elektricitet
7. Elektriciteten går från generatorn genom ledningar till de nödvändiga applikationerna oavsett om det är direkta apparater eller ett batteri
Typer av vindkraftverk
Det finns två huvudtyper av vindkraftverk som kan ses i design och implementering inom vindenergiindustrin idag. Den första och vanligaste typen är vindkraftverken med horisontell axel som förlitar sig på en horisontell axel som löper vinkelrätt mot bladen som snurrar vertikalt. Dessa vindturbinsystem kan ses användas i stora vindkraftsparker såväl som i solodrift.
Den andra typen som är mindre vanlig inom vindenergiindustrin är vindkraftverken med vertikal axel. Som man kanske skulle kunna dra slutsatsen har turbinen med vertikal axel en vertikal axel i vilken bladen eller rotorn är anslutna till och snurrar horisontellt. Det finns många varianter av vindkraftverken med vertikal axel, men den stora fördelen är att underhållet är lättare eftersom växellådan och generatorn är mer åtkomliga.
- Vindturbin med horisontell axel – Detta är standardtypen av vindturbin där låghastighetsaxeln som ansluter till rotorn är horisontell. Det finns olika sätt att konstruera detta vindkraftverk men de följer alla samma koncept som beskrivits ovan. Rotorn snurrar med vinden och den roterande kinetiska energin omvandlas till elektrisk energi genom en generator
- Vertical Axis vind Turbin – Denna typ av vindturbin är mindre vanlig men har en fördel i att rotorn inte behöver vända mot vinden. Axeln som ansluter till rotorn är vertikal och växellådan och generatorn är vanligtvis i botten av tornet. Det finns många typer av vindkraftverk med vertikal axel som alla följer samma koncept för kraft längs X-axeln (parallellt med marken) till skillnad från turbiner med horisontell axel som använder kraft längs Y-axeln (vinkelrätt mot marken).
Följande är olika varianter som kommer från vertikalaxlade vindturbinsystem. Många av dessa konstruerades för decennier sedan och ses inte längre i användning idag, men designen för dessa har anpassats och justerats så att nyare modeller kan utvecklas som är mer effektiva med mindre problem än de äldre.
a. Darrieus vindturbin – Detta vindkraftverk med vertikal axel använder böjda blad som roterar och skapar en inre vindkraft som gör att rotorn kan snurra i höga hastigheter oavsett vindhastighet. Nackdelen med detta är att denna turbin i allmänhet kräver en extern motor för att börja snurra
b. Giromill – En variant av Darrieus vindturbin genom att den använder en H-formad rotor. Skillnaden mellan de två är att giromillen använder raka blad som löper parallellt med axeln. Utöver det verkar de två på helt samma princip
c. Cykloturbin – En typ av giromill som inte bara har raka blad som löper vertikalt utan också som det raka bladet själv kan rotera runt sin mittaxel. Fördelen med denna typ av turbin är att den genererar mest kraft och kan starta själv (starta utan någon extern hjälp).
d. Savonius vindturbin – Detta vindkraftverk med vertikal axel förlitar sig på principerna om motstånd och vindmotstånd för att fungera. Bladen är formade som ett S med de två böjda delarna av S som rör sig med vinden. Den krökta delen skapar mindre motstånd och därför kan rotorn snurra. Dessa turbiner genererar inte mycket energi.
e. Vortexis vindturbin – Detta är den senaste utvecklingen av vindkraftverk med vertikal axel. Det har sett användning i Afghanistan och Irak av specialstyrkor som behöver driva sina enheter. Denna turbin har två uppsättningar blad, en mindre uppsättning som sitter i en cirkel och en större uppsättning som omger den mindre uppsättningen i en större cirkel, som fungerar som en växellåda. Den yttre uppsättningen blad använder vinden för att snurra och genom att den uppsättningen blad snurrar tvingar de sin egen vind att vända den mindre inre uppsättningen blad. Dessa blad är kopplade till axeln som sedan vrider en generator.
