miniatyr|Vindkraftverk samlade i en vindkraftspark. miniatyr|Utvecklingen av vindkraftskapaciteten per kapita över tid i ledande EU/EES-länder miniatyr|Andel elektricitet genererad av vindkraft i 20 ledande större länder år 2021. Totalt genererades 10% of electriciteten globalt av vind- och solkraft. miniatyr|Den klassiska väderkvarnen utvann vindenergi för direkt användning som mekanisk energi, exempelvis för att mala säd, pressa olja, såga trävirke, göra papper eller pumpa vatten. Vindkraft innebär produktion av elenergi med vindenergi som energikälla. Vindenergin är en förnybar energikälla och används över stora delar av världen.
Det är rörelseenergi i vinden som utvinns av vindkraften. Rörelseenergin i vinden är omvandlad solenergi och uppstår då jorden samt dess atmosfär värms av solen. Uppvärmningen är ojämn och temperaturskillnaderna gör att lufttrycket skiljer sig mellan olika platser. Luften vill röra sig från det högre till det lägre trycket för att jämna ut tryckskillnaden vilket då ger upphov till vindar. Temperaturvariationerna är störst vid ekvatorn och minst vid polerna. Vindarna varierar med årstiderna.
En följd av jordens rotation är att vindriktningen förskjuts till att följa linjer med samma lufttryck, isobarerna. Detta kallas för corioliseffekten.
I modern tid började vindkraften utvecklas internationellt i mitten av 1970-talet. Denna utveckling har lett till en teknik med horisontalaxlade, propellerlika vindturbiner med vanligen tre vingar, vilka direkt eller via en kuggväxel driver en elgenerator. Tillämpningen för storskalig elproduktion till det nationella elnätet domineras av allt större anläggningar med turbindiametrar om 100–160 m på torn av ungefär samma storlek. De största verken, med en turbindiameter upp till 220 m och 12 MW effekt, används för havsbaserad vindkraft. För anläggningar utanför elnätet och i viss mån för enskilda fastigheter används betydligt mindre vindkraftverk.
Sedan 1970-talet har generatorsidan sett stora förbättringar och runt 1990-talet har verk som använder switchad kraftelektronik tagit över från de tidigare frekvenssynkroniserade verken med avancerade växellådor. Tack vare detta har verkningsgraden höjts betydligt.
Vinden som energikälla Grundläggande principer för vindkraftverk mini|höger|Bilden visar den utveckling i vindkraftverkens storlek som skett, från cirka 75 kW (1980) till 8 MW (2014) Vindturbinen är kraftverkets vingar och kallas turbinblad. Liksom en flygplansvinge eller en propeller verkar vindturbinen hos ett vindkraftverk genom den lyftkraft som alstras på dess turbinblad. Bladytan uppgår endast till omkring 3 procent av dem svepta ytan. Trots det är vindturbinen verksam över hela den svepta ytan.Turbinbladens spetsar rör sig med typiskt 7–8 gånger vindens hastighet och den moderna vindturbinen kallas därför snabblöpande.
Energin i vinden
Ett vindkraftverks uppgift är att omvandla vindens rörelseenergi via mekaniskt arbete till elektrisk kraft.
Effekten P (Watt) för ett vindkraftverk beräknas genom formeln:
där är luftens densitet i kg/m³, är vindhastigheten i m/s och är den svepta rotorarean i m². är kraftverkets dimensionslösa effektkoefficient som för väl utförda verk kan ligga mellan 0,40 och 0,45. Enligt Betz lag kan den aldrig bli högre än 16/27 ≈ 0,59.
Den svepta rotorarean definieras som den area som bildas när vindturbinen roterar. Effekten är proportionell mot vindhastigheten i kubik, vilket innebär att en fördubbling av vindhastigheten ger åtta gånger högre effekt. Detta gör att vindkraftverk med nödvändighet konstrueras för en viss märkvind där verket levererar sin märkeffekt, och att effekten vid vindhastigheter över märkvinden begränsas genom att vinden "spills" genom turbinen.METEOROLOGI Nr. 138/2009 SMHI
Skillnaden i vindhastighet före och efter vindturbinen avgör hur stor del av vindens effekt som kan tas tillvara av vindkraftverket, Detta beskrivs med verkets effektkoefficient. En förlustfri vindturbin har en effektkoefficient på högst 59 procent, enligt Betz lag.
Var och hur det blåser Högt över marken bestäms vindarnas hastighet och riktning enbart av lufttrycksfördelningen och jordrotationen. Den undre gränsen för denna geostrofiska vind ligger vanligen på mellan 500 och 1 000 m över marken beroende på förhållandena.
Markbaserade vindkraftverk är hänvisade till att utnyttja vindenergin på de lägre höjderna inom det atmosfäriska gränsskiktet, där vindarna även påverkas av en rad andra faktorer. En viktig sådan är friktionen mot markytan, vilken bestäms av terrängens råhet. En skrovlig yta som skog bromsar vinden mer än en öppen slätt. Vatten- och isytor ger den minsta friktionen.
Topografin i form av kullar och berg har också stor betydelse. Om formen inte är alltför tvär får man starkare vindar över en höjdsträckning.
Även atmosfärens grad av stabilitet inverkar på vindarnas styrka. Dagtid under sommarhalvåret är luften ofta instabilt skiktad, vilket innebär att temperaturen snabbt sjunker med ökande höjd. Det utlöser stora vertikala luftrörelser, vilka åtföljs av starka och byiga horisontella vindar. Med neutralt eller stabilt skiktad luft finns inte denna tendens.
miniatyr|Exempel på vindprofiler över skog, slätt och hav
Vindprofilerna i figuren illustrerar hur vindhastigheten varierar med höjden över marken vid olika underlag. Här framgår skogens starkt bromsande inverkan, medan det över hav kan vara starka vindar redan på låg höjd. Å andra sidan växer vindarna snabbare med ökande höjd över skog än över hav. Detta är förklaringen till att det på senare år, sedan vindkraftverken vuxit till höjder över hundra meter, blivit ekonomiskt intressant att sätta vindkraftverk på skogsmark, som erbjuder stora ytor med förhållandevis små konflikter med andra intressen.
Den ökning av vindhastigheten med ökande höjd, som vindprofilen beskriver, kan även uttryckas som en vindgradient. En stor vindgradient medför å ena sidan att tillgänglig vindenergi tilltar med höjden, vilket är positivt. Å andra sidan blir det större påfrestningar på en vindturbin när det översta turbinbladet arbetar i starkare vind än de undre. miniatyr|Exempel på säsongsvariation i kapacitetsfaktor för svensk sol- och vindkraft. Beräknad på produktions data för åren 2011-2021. Vinden varierar ständigt. I ett längre tidsperspektiv har den dock tydliga mönster. Mellan olika år varierar energiinnehållet i vindarna i Skandinavien med storleksordningen ± 10 procent, vilket är något mindre än vattenkraften. Under det senaste århundradet har energitillgången i medeltal inte förändrats, åtminstone i Norden. Av årsenergin infaller ⅔ under vinterhalvåret, då också behovet är störst. I ett kortare tidsperspektiv, upp till en månad, är energitillgången närmast slumpmässig. Till viss del kan variationerna jämnas ut genom sammanlagring av produktionen i landet och i norra Europa. Korrelationen i hur mycket det blåser är dock stor mellan olika närliggande Europeiska länder, då hög- och lågtryck inte sällan sträcker sig över mycket stora landytor.
Vid kuster förekommer fenomenet sjöbris, som är en följd av solens ojämna uppvärmning av land och hav under dagen. Den varmare luften över land stiger uppåt och drar in kallare luft från havet, och ger därmed en daglig variation av vindstyrkan. Även om effekten är tydligt märkbar under den nordiska sommaren har den ingen större betydelse för vindenergitillgången, som i stället bestäms av de västerifrån invandrande lågtrycken. I Kalifornien, där temperaturskillnaderna mellan kallt hav och heta öknar är mer uttalade, finns det däremot dalgångar som tack vare sådana fenomen är vindrika och som därför fått en omfattande vindkraftsutbyggnad.
Vindens variationer i sekundskala benämns turbulens. Variationerna är i huvudsak slumpmässiga, även om det kan finnas inslag av ordnade strukturer. Hög markråhet, komplex topografi och låg stabilitet ökar turbulensen. Högre turbulensgrad medför ökade utmattningslaster på ett vindkraftverk. För att ändå uppnå den önskade livslängden måste de utsatta komponenterna då dimensioneras rikligare.
Vindkraftverk får sin energi genom att bromsa ned vinden till idealt en tredjedel av den ursprungliga hastigheten. Bakom ett vindkraftverk finns därför en "gata" med lägre vindhastighet, vaken. De bakre vindkraftverken i en grupp producerar mindre och utsätts därtill för större påfrestningar, särskilt om de delvis arbetar i vaken. En högre turbulensgrad gör att vaken upplöses snabbare, vilket innebär att ny energi fylls på från sidorna och uppifrån. Ur denna synpunkt kan det vara fördelaktigt med den högre turbulensen över skog. För att verken inte ska stjäla alltför mycket vind från varandra placeras de med ett visst inbördes avstånd, typiskt fem turbindiametrar eller omkring 500 m.
miniatyr|Exempel på frekvensfördelning för vindhastighet. Varje stapel representerar ett intervall om 1 m/s. Under 10 procent av tiden blåser det 5,5–6,5 m/s, vilket är den vanligaste vindhastigheten. Medelvinden är 7 m/s.
Medelvinden, medelvärdet av vindens hastighet under ett normalår, är ett av de mått som behövs för att beskriva vinden på en plats. Man måste därtill veta hur fördelningen mellan höga och låga vindhastigheter ser ut. Weibullfördelningen används för att med två parametrar beskriva vinden. Den ena motsvarar medelvinden och den andra är formfaktorn. Denna gör att produktionen kan variera med omkring ±5 procent vid samma medelvind. Se figuren.
Även vindens riktning ändrar sig. I Sverige är den förhärskande vindriktningen vanligen mellan syd och väst - de väderstreck varifrån vinden blåser.
Utnyttjningstid och kapacitetsfaktor miniatyr|Exempel på frekvensfördelning över vindkraftens kapacitetsfaktor. Beräknad för svensk vindkraft under åren 2011-2021. Utnyttjningstiden definieras som årsproduktionen (kilowattimmar) dividerad med anläggningens maximala effekt (kilowatt). Sorten blir därmed (timmar). Den kan också uttryckas som det antal timmar som anläggningen teoretiskt skulle behöva köras med maximal effekt för att nå den verkliga årsproduktionen. Ibland används i stället begreppet kapacitetsfaktor, som utgör utnyttjningstid dividerad med årets timmar (8 760). Exempel: 2 240/8 760 = 0,256 eller 25,6 procent (medelvärde i Sverige år 2021). Genom att använda en större turbin (längre turbinblad) för en viss generatoreffekt kommer visserligen mer vindenergi att "spillas" vid höga vindhastigheter, men verket kommer att vara i drift en större del av tiden och få en högre kapacitetsfaktor, där det speciellt för kraftverk till havs finns anläggningar med kapacitetsfaktorer på upp till 45 procent. Denna utveckling beror på relativt sett sjunkande bladkostnader, men leder även till att det blir lättare att samköra vindkraft med det övriga elsystemet, eftersom en viss årlig elproduktion då motsvaras av en mindre högsta effekt och mindre varierande effekt.Lennart Söder: På väg mot en elförsörjning baserad på enbart förnybar el i Sverige. KTH, 2014‐06‐22
Maximal effekt uppnås runt 11 meter per sekund. Blåser det mer så vrids vingarna så att den levererade effekten inte ökar mer, vilket annars skulle leda till att verket blir överbelastat. Vid vindstyrkor över 25 meter per sekund stoppas de flesta vindkraftverk helt. Vissa typer av verk får fortsätta att vara igång med reducerad effekt och lägre varvtal upp till cirka 35 meter per sekund. Under typiska svenska förhållanden (medelvind 7,5 meter per sekund) blåser det mer än 25 meter per sekund under i medeltal några minuter per år.Dalavind, produktionsstatistik .