5. Vindenergi

Vindenergi er den af de omtalte vedvarende energikilder, der i dag er mest anvendt. Mennesket har allerede et nogle tusinde års erfaring med vindenergi. Man har ved hjælp af sejlbådes sejl udnyttet vindens energi til fremdrift. Bondemænd har brugt vindmøller til at pumpe vand op fra undergrunden, og gennem århundrede har møllere brugt vindmøller til at male mel.

 

Vindmøller udnytter vinden og omdanner dennes kinetiske energi til elektricitet.

 

Hvorfor blæser vinden?

Vind kaldes også blæst, og er defineret ved, at luft bevæger sig med en hastighed på over 0,2m/s. Luften bevæger sig, fordi der hele tiden opstår områder med trykforskel i den nederste del af vores atmosfære, kaldet troposfæren. Trykforskellene opstår ved at Solen opvarmer Jordens overflade og de nederste luftlag forskelligt. Når luften opvarmes bevæger molekylerne sig hurtigere, og luftens densitet falder – der er færre molekyler pr. volumenenhed. Molekylerne bevæger sig tilfældigt rundt i mellem hinanden, nogle gange støder de sammen, andre gange støder ind i deres omgivelser. Når de støder ind i de omgivende flader udøver de en kraft på fladerne både opad nedad og til siderne.

En beholder med molekyler, som bevæger sig vilkårligt rundt. Hver gang et molekyler rammer beholderens væg udøver det et kraft på væggen. Det opfattes som at alle molekylerne trykker på beholderens vægge.

 

Definition: Tryk

Tryk kan beskrives ud fra hvor stor en kraft en bestemt mængde molekyler udøver på en flade. Hvis den samlede vinkelrette kraft på en flade med arealet a er F, defineres tryk som:

p = F/a

SI-enheden for tryk er Pa (Pascal) og 1 Pa er 1 N (Newton) pr. kvadratmeter (N/m2).

 

 

Fakta: Jordens tryk    

Når meteorologer snakker om højtryk og lavtryk anvender de oftest enheden hPa (hectoPascal) som er 100 Pa. Trykket på Jorden angives som 1 atm. (atmosfære) og er det samme som:

1,013 · 105 Pa = 101,3 hPa

 

Vind opstår, når luften strømmer fra områder med meget luft til områder med mindre. Områder med mere luft end de omkringliggende områder kaldes højtryk og omvendt kaldes områder med mindre luft lavtryk. Jo større trykforskel og jo tættere områderne ligger på hinanden desto større vindhastighed.

Det betyder, at når luften opvarmes af Solen eller stråling fra jorden, falder trykket, fordi luften udvider sig. Luftsøjlen kommer til at fylde mere, og vil øverst oppe begynde at strømme ud til siderne. Ved jorden er der skabt et lavtryk, fordi den samlede masse af luftsøjlen er blevet mindre. Hvis en luftmasse afkøles vil luftsøjlen fylde mindre, og i toppen af luftsøjlen vil luft fra omgivelserne strømme til. Hermed er der opstået et højtryk, fordi den samlede masse af luft i luftsøjlen er blevet større.

I kystnære områder opstår der særligt om foråret og i forsommeren lokale strømningssystemer, der medfører pålands- og fralandsvind selvom den overordnede vindretning er en anden. Fænomenet kaldes søbrise og landbrise og opstår når luften over land opvarmes og trykket falder. Når havet er koldt vil luften over havet også være kold, og der opstår en luftstrøm fra havet og ind over land. Luftmassernes bevægelser medfører desuden, at luft henholdsvis fjernes og ophobes i forskellige områder. Disse bevægelser er med til, at skabe nye trykforskelle og dermed nye strømme.

Grunden til at landområder bliver koldere end havet er, at jords varmekapacitet er lavere end vands. Dermed skal der mere energi fra Solen til at opvarme havet før den kan opnå samme temperatur som landjorden.

 

 

Vindmøllens teknik

En vindmølle er grundlæggende en maskine, som omdanner den kinetiske energi (bevægelsesenergi) i vinden til elektrisk energi. Først omdannes den kinetiske energi i luften vha. en rotor til mekanisk rotationsenergi (kinetisk energi). Derefter omdannes rotations energien til elektrisk energi i generatoren.

Kinetisk energi i vinden omdannes til elektrisk energi vha. rotor og generator i vindmøllen.

 

Princippet med at udnytte vindens kinetiske energi har været kendt i flere hundrede år, men det store gennembrud kom først, da man begyndte at udnytte aerodynamiske vingeprofiler. Teknologien stammer fra flyindustriens udvikling af vinger til fly. Forskellen på disse vinger og de skråtstillede vinger på de gammeldags vindmøller er, at de ikke bare udnytter trykket, som vinden skaber på forsiden, men også undertrykket på bagsiden. Denne strømning omkring profilerne betyder, at en større del af energien kan udnyttes.

En vingeprofil af en vindmøllenvinge

 

Møllerne består af fire hoveddele, fundament, tårn, nacelle (møllehuset) og rotor. Fundamentet på en landbaseret mølle består normalt af en betonklods. På havet anvendes lignende fundamenter, hvis bundforholdene og havdybden tillader det. Der kan også anvendes pælefundamenter, som bankes ned i havbunden. For en stor del af verdens have er dybderne så store, at det er meget omkostningsfyldt, at anvende disse fundamenter, derfor arbejdes der på udvikling af flydende fundamenter.

 

Oven på fundamentet er tårnet monteret. Der har gennem tiden været anvendt mange forskellige tårntyper, men for moderne møller er lukkede rørtårne de mest anvendte. Tårnhøjde kan varieres efter vindforholdene og lokale restriktioner, men for de mest anvendte møller af størrelsen 2-4 MW, anvendes der normalt tårne fra 80 m og opefter. Tårnene består af koniske sektioner, som boltes samen til det færdige tårn. Der er adgang til tårnet igennem en luge i bunden og indvendig er tårnet udstyret med trapper eller lignende, der gør det muligt at komme op til møllehuset (nacellen).

Hovedbestanddelene i vindmøllen. Gearet sørger for at generatoren får de nødvendige omdrejninger til at kunne producere el.

 

En vindmølle består i store træk af en drivaksel, en gearboks og generator. Drivakslen er den aksel som vindmøllens vinger sidder fast på. Når en luftstrøm passerer møllen, drejer vingerne rundt, og det får drivakslen til at dreje rundt med den samme hastighed. Gearboksen bruges til at overføre rotationsenergi fra drivakslen til en anden stang, kaldet rotoren. Gearet ændrer omdrejningshastigheden, sådan at rotorens hastighed er større end hastigheden af drivakslen. Princippet med et gear kendes fra en cykel, hvor den hastighed pedalerne drejer rundt med, ikke nødvendigvis svarer til hjulets omdrejningshastighed.

Der findes to måder at operere en vindmølle på. Den ene kaldes fikseret-hastighed og den anden variabel-hastighed. I fikseret-hastighed vindmølle kan kun rotere med en bestemt hastighed nemlig den der er bestemt af netfrekvensen. I Europa er det 50 Hz dvs., at generatoren leverer vekselspænding ved 50 Hz. Variabel-hastighed vindmøller er ikke låst fast til netfrekvensen. Deres rotorhastighed kan variere efter hvor meget vinden blæser og derfor leverer generatoren ofte ikke 50 Hz. Derfor anvendes en frekvensomformer imellem generatoren og elnettet så vindmøllen i sidste ende leverer elektricitet ved 50 Hz.

 

 

Energi i vinden

Vi vil her beregne, hvor meget energi, der er i vinden. Som udgangspunkt anvendes formlen for kinetisk energi:

Ekin= 1/2 · m · v2

hvor m er massen og v er hastigheden.
Vi betragter luften som en gas, og massen af en gas er defineret som:

m = p · V

hvor p er gassens densitet (massefylde) og V er volumen af gassen. Volumen for gassen er det volumen, som passerer møllens rotor pr. tidsenhed. Det overstrøgne vingeareal sættes til A og luftens hastighed sættes til v. Dermed vil det volumen, som passerer møllens rotor pr. tidsenhed være:

V = A · v

Massen er altså ikke en decideret masse, men en massestrøm. Denne massestrøm kan defineres som masse pr. tidsenhed:

massestrøm = p · A · v

Effekten i vinden kan dermed skrives som:

Pvind= 1/2 · massestrøm · v2 = 1/2 · p · A · v3

En vindmølle omdanner den kinetiske energi fra luftmolekylernes bevægelse – det der i daglig tale kaldes vind – til rotationsenergi i vindmøllevingerne. Herefter omdannes rotationsenergien fra vindmøllevingerne til elektrisk energi i en generator.

 

Definition: Effekt i vinden

Vi har set at en luftmængde med en given densitet (p), der bevæger sig med en hastighed (v) igennem et areal (A), har en effekt, der er bestemt ved følgende: Pvind = 1/2 · p · A · v3

 

Det er fysisk umuligt at omdanne al den mekaniske energi i vinden til elektrisk effekt. Hvis man gjorde det, ville det betyde, at luften ville stå helt stille på bagsiden af møllen. Teoretisk set er det muligt at omdanne op til 59% af vindens energi. I praksis kan vindmøller nå en omsætning af ca. 50% af vindens energi til elektrisk energi.

 

Fremtidigt potentiale

På verdensplan er der et kæmpe potentiale for udnyttelse af vind i vindmøller. Den installerede kapacitet er vokset med en årlig rate på 27% mellem 2000 og 2008, fra 17 GW til 120 GW. Det svarer til ca. 100 millioner menneskers årlige elforbrug, hvis de bruger ligeså meget som en gennemsnits dansker. Større og mere effektive vindmøller har sænket prisen på den producerede elektricitet, hvilket har gjort vindmøller konkurrencedygtige med konventionelle kraftværker, uden at vindmølleproducenter skal have statsstøtte.

 

CASE: Er fremtidens vindmøller lavet i træ?

Svenske InnoVentum har specialiseret sig i vindmøller i træ. Læs mere her.

Horns Rev som er en af Danmarks største offshore vindmølleparken. Den ligger 30 km ud for Jyllands vestkyst hvor vinden blæser meget. Vindmølleparken har en kapacitet på 209 MW og dække 200.000 hustandes årlige elforbrug.

 

Udfordringer

Vindmøller producerer strøm som vinden blæser. Derfor ligger en stor udfordring i at forudse vejret den næste dag, og hvor meget strøm der kan produceres. Således kan kraftværker medregne dette i deres planlægning og dermed vide, hvor meget strøm de selv skal producere ved hjælp af andre kilder. Dette er meget vigtigt af flere årsager: det er dyrere og dårligere for klimaet at have et kulkraftværk i drift end en vindmølle. Hvis vinden blæser meget giver det ikke mening at producere mere strøm end nødvendigt på kraftværker, når det kan komme “gratis” fra vindmøllerne.

Hvis der helt uforudset bliver vindstille fra den ene dag til den anden kan kraftværkerne ikke producere nok. I værste tilfælde kan frekvensen i elnettet falde til under et kritisk niveau, og der opstår en strømafbrydelse. Med det sidste scenarie in mente er det klart, at der findes en grænse for, hvor meget vindenergi der kan implementeres i energiforsyningen, indtil tilstrækkelige lagringsmuligheder er fundet. I Danmark kan ca. 25% af vores elektricitetsforsyning komme fra vindmøller.

Øvelse: Forøgelse af vindhastigheden

Hvis vindhastigheden øges med 10% hvor meget øges effekten af vinden? (Hint. kig på definition af “effekt i vinden”

 

 

 

Øvelse: Vindmølle

En vindmølle har en radius på 44 meter, og den er placeret på land, hvor det blæser 10 m/s. Massefylden af luft ved 20 grader er 1,204 kg/m3.

  1. Hvor meget effekt indeholder denne luftmænge?
  2. Hvor stor en mængde effekt kan vinden maksimalt overføre til vindmøllen?
  3. Hvis vinden øges fra 10 m/s til 12 m/s, hvor mange procent stiger effekten?

Link til kapitel 6: Geotermisk energi

More...