miniatyr|Vindkraftverk av den vanliga moderna typen med tre rotorblad. miniatyr|Principskiss av ett vindkraftverk. Vindkraftverk är en maskinkonstruktion som omvandlar kinetisk energi ur vinden till elektricitet. Vindkraftverk består av ett stationärt torn med en rotor som snurrar genom påverkan av vindens kraft. Rotorn driver en generator som producerar el som överförs till elnätet. Ett vindkraftverk är beroende av vindens energitillförsel och ger därför en varierande effekt. Allmänt miniatyr|Video vindkraftverk
Rotorn hos ett vindkraftverk är en form av friströmsturbin och det är därför inte möjligt att omvandla vindens hela rörelseenergi till arbete. Det är enligt Betz lag enbart möjligt att omvandla omkring 59 procent av luftens rörelseenergi till mekanisk rörelse hos vindkraftverkets rotor i ett enskilt vindkraftverk (resten av energin finns kvar i luften som fortsätter vidare bort från vindkraftverket). Om ett vindkraftverket hypotetiskt skulle omvandla 100 procent av luftens rörelse till mekanisk rörelse hos vindkraftverket så skulle luften inte ha någon rörelseenergi kvar att röra sig bort från vindkraftverket och vindkraftverket skulle stanna.
Luftens rörelseenergi är proportionell mot vindhastigheten i kvadrat. Vindens effekt är därför proportionell mot vindhastigheten i kubik (upphöjt till tre) då den utöver rörelseenergin även beror på hur snabbt vinden rör sig förbi den plats där vi mäter dess effekt. Generellt ökar därför den möjliga effekten från ett vindkraftverk med vindhastigheten upphöjt till tre, det vill säga att en fördubblad vindhastighet ger en 2³=8 gånger högre effekt. Detta innebär att effekten är mycket låg vid låga vindhastigheter, men ökar mycket kraftigt med ökande vindhastighet. I praktiken gör begränsningar att vindkraftverken står still både vid de allra lägsta och högsta hastigheterna.
Antag att ett vindkraftverk kan ge en effekt på 1 MW vid vindhastigheten 10 m/s. Utan reglering skulle kraftverket vid dubbla vindhastigheten 20 m/s kunna ge en effekt på 8 MW. Att dimensionera kraftverket för en 8-faldig effekt som kanske bara uppnås några timmar om året skulle vara mycket kostsamt men ändå ge en mycket liten "extra" energiproduktion.
En kostnadseffektiv lösning är att väsentliga komponenter som till exempel generator och rotor dimensioneras för en viss effekt, märkeffekten, som uppnås vid en viss vindhastighet, märkvinden, och att kraftverket konstrueras så att vinden "spills" vid vindar över märkvinden.
Tabellen nedan visar översiktligt relativ effekt, det vill säga aktuell effekt dividerat med verkets märkeffekt, vid olika vindhastigheter. Exemplet förutsätter att märkvinden valts till cirka 13 m/s.
+ Vindhastighet (m/s) Relativ effekt (%)https://havsnas.se/vindkraft/090821_Product-brochure-V90-1.8-2.0MW-06-09-EN.pdf 0-4 0 5-6 10-20 7 30 8-9 50 10-12 70-95 13-23 100 23- 0
Startvind/Inkopplingsvind Vid de lägsta vindhastigheterna, under startvind (en: cut-in wind speed), ger verket en så låg effekt att den inte ens räcker till verkets egenförbrukning i olika hjälpsystem. Vanliga värden på startvind är kring 4 m/s, och verket ger således ingen elproduktion alls under denna vindhastighet.
Märkvind Med ökande vindhastighet ökar effekten kraftigt, och det är därför nödvändigt att utforma vindkraftverket så att effekten begränsas när vindhastigheten överstiger en viss märkvind. Märkvinden är den vindhastighet då kraftverket producerar sin maximala effekt, märkeffekten. Då vindhastigheten överstiger denna nivå regleras vindkraftverket så att vinden delvis "spills" genom turbinen och effektuttaget på så sätt hålls konstant. Denna reglering är helt nödvändig för att minska påfrestningarna på vindkraftverket och dess komponenter. Vanliga värden på märkvind är 10–14 m/s.
Stoppvind/Urkopplingsvind Då vindhastigheten överstiger en viss nivå (vanligen 20–25 m/s) stängs kraftverket ner helt för att skydda mot överbelastning.
Uppbyggnad och styrsystem
Konventionell generator och växellåda
Typiska varvtal för vindturbiner är 10–30 varv/minut, medan konventionella elgeneratorer har varvtal på 750, 1 000, 1 500 eller 3 000 varv/minut (olika multipler av nätfrekvensen 50 Hz). Om verket konstrueras med en konventionell elgenerator måste det därför finnas en växellåda med en betydande utväxling, som omvandlar den långsamma rotationen i rotorn till ett högre varvtal för generatorn. Utvecklingen av dessa speciella växellådor har varit en utmaning förknippat med vissa tillgänglighetsproblem, men med tiden har beprövade konstruktioner vuxit fram. Med denna konstruktionslösning används således en "ovanlig" växellåda men en generator med beprövad konstruktion. Spänningen från generatorn är relativt låg, och måste transformeras upp om strömmen ska transporteras längre sträckor.
Direktdriven generator och omformare Vissa verk är istället konstruerade med direktdriven generator. Generatorer för så låga varvtal som 10–30 varv/minut får med nödvändighet en betydande diameter och kan behöva använda speciella material och konstruktionslösningar för elektriska lindningar och magneter. Dessutom är den genererade strömmen av annan frekvens och måste omformas innan den kan levereras till elnätet. Med denna konstruktionslösning behövs ingen växellåda, men istället används en "ovanlig" generator och det tillkommer kostnader för en omformare som omvandlar den genererade strömmen till lämplig spänning och frekvens för elnätet.
Reglering De flesta vindkraftverk reglerar vingarnas vridning så att vindkraftverket under märkvind får så hög effekt som möjligt, över märkvind "spiller" överflödig vind och håller konstant effekt, och slutligen flöjlar vingarna och stänger av verket när vindhastigheten överskrider stoppvinden. Det finns också system som vrider maskinhuset mot vinden. Styrsystemet hämtar information från bland annat vindfana och vindmätare, vilka mäter vindriktning och vindhastighet.
Olika typer av vindkraftverk miniatyr|höger|Vindkraftverk i Mörby, Blekinge. Det finns flera olika typer av vindkraftverk. En grundläggande typindelning kan göras efter hur turbinens axel är riktad, om den är horisontell eller vertikal.
Rotor med horisontell axel Vindkraftverk med horisontell axel har rotorn och generatorn placerade i ett vridbart maskinhus, kallat nacell, högst upp i ställningen. Detta möjliggör att maskinhuset kan vridas så att rotorn pekar mot vindriktningen. För mindre modeller styrs ofta vridningen av en vinge som är riktad bakåt från rotorn sett. Likt en vindflöjel följer den vindens riktning och håller rotorn riktad mot vinden. Stora kraftverk har ett styrsystem för vridningen, bestående av en vindmätare och en servomotor. De flesta har oftast två eller tre blad även om modeller med fler blad förekommer. Kraftverk med tre blad och med två blad producerar i stort sett lika mycket elektricitet. Fördelen med tre blad är bland annat jämnare kraftpåverkan och därmed mindre påfrestningar.
Rotor med vertikal axel miniatyr|Vertikalt kraftverk. Vindkraftverk med vertikalt placerad rotoraxel kräver beroende på utförande lite större bladyta och dessutom extra bärarmar jämfört med horisontell rotoraxel, men behöver å andra sidan inte ett system som ser till att bladen alltid är vända mot vinden för maximal energiutvinning. Tunga komponenter som generator och växellåda kan placeras på marknivå. Vertikal rotoraxel kan därför möjliggöra en enklare konstruktion. Savonius och Darrieus är två olika lösningar för vertikalaxlade rotorer.
Konstruktion Den svenska standard som gäller för vindkraftverk är SS-EN 61400SEK Svensk Elstandard, vilket är det svenska namnet på IEC 61400. iec wind turbine standardsEtt vindkraftverk är att betrakta som ett byggnadsverk varför Boverkets byggregler, EKS och Eurokoder är regler som gäller om det skall vara placerat i Sverige. Vidare är det att betrakta som en maskin varför det skall vara CE-märkt mot maskindirektivet.Det här är tillverkarens ansvar Även andra direktiv så som lågspänningsdirektivet och EMC-direktivet gäller för Vindkraftverk. CE Marking for Wind Turbines Helping to eliminate European trade barriers På Arbetsmiljöverkets webbsida Vindkraftverk hittar man Arbetsmiljöverkets krav på vindkraftverk bl.a. om hiss behövs.
Andra standarder och föreskrifter som kan komma att vara tillämpliga är: Guidelines for Design of Wind Turbines − DNV/Risø SS-EN ISO 12100 Maskinsäkerhet - Allmänna konstruktionsprinciper - Riskbedömning och riskreducering SS-EN 50308 Vindkraftverk - Säkerhet och skydd vid skötsel och underhåll DS 472 Dansk Ingenioerforenings Code of Practice for Loads and Safety of Wind Turbine Constructions GL Regulations Germanischer Lloyd's Regulations for the Certification of Offshore Wind Energy Conversion Systems DNV-OS-J101 Det Norske Veritas; Design of Offshore Wind Turbine Structures DNV-OS-J101 Design of Offshore Wind Turbine Structures DNV-OS-J102 Det Norske Veritas; Design and Manufacture of Wind Turbine Blades, Offshore and Onshore Wind Turbines DNV-OS-J102 Design and Manufacture of Wind Turbine Blades, Offshore and Onshore Wind Turbines DIBt Richtlinien Das Deutsche Institut für Bautechnik; Richtlinie. Windkraftanlagen. Einwirkungen und Standsicherheitsnachweise für Turm und Gründung GL Guideline for the Certification of Wind Turbines GL Guideline for the Certification of Wind Turbines
Ovannämnda bestämmelser gäller även små vindkraftverk. Energimyndigheten har gett ut ET 2008:3 Vindkraft - bygga och ansluta mindre vindkraftverk för eget bruk med råd beträffande små vindkraftverk.ET2008:3 Vindkraft - bygga och ansluta mindre vindkraftverk för eget bruk Några av de råd som ges är: Köp ett CE-märkt vindkraftverk. Se till att de vind- och klimatförhållande vindkraftverket är konstruerat för framgår av den dokumentation som kommer med leveransen (och lämpligen bör man ju se till att det är de förhållande som råder där man har tänkt sig att det skall vara placerat). Se till att montageanvisning, säkerhetsanvisningar, ritningar och annan dokumentation som krävs för att man skall kunna installera, använda och underhålla anläggningen ingår i leveransen.
Marknaden för små vindkraftverk har vuxit mycket på kort tid, med till synes stora kvalitetsproblem som följd.Ny Teknik ”Marknaden för små vindkraftverk är rent ut sagt sjuk” Ny Tekninik Här är företagen som säljer små vindkraftverk Ny Teknik Varning för kinesiskt vindkraftverk Ny Teknik Familjen blev blåst på vindkraftslyckan Sydsvenskan Platt fall efter några timmar
Placering miniatyr|höger|Varning för iskast. Vindkraftverk placeras idag både till havs och på land. Vid landplacering används antingen öppna fält eller höjder där det går att bygga torn till sådan höjd att man når en gynnsam genomsnittlig vindstyrka som inte är alltför turbulent. Exploatörerna brukar ange en genomsnittlig vind på 6 m/s som gränsen för vad som är ekonomiskt lönsamt. Vanligen eftersträvas i Sverige lägen med omkring 7 m/s eller mer. Vid placering av vindkraft i skog kan skogsägaren fortsätta bedriva skogsbruk, samtidigt som energiföretaget arrenderar de områden som behövs för vindkraftsproduktion. En turbin måste normalt upp minst 20 meter över omgivande terräng och skog för att den ska ge en godtagbar produktion, kortare master eller torn ger sällan bra resultat.