HUR FUNGERAR VINDKRAFTVERK?

Send

Kanske har du sett dem när du kör genom landsbygden. Eller så kanske du såg dem precis utanför kusten, som blev stora i horisonten med sina snurrande blad. Återigen kanske du har sett dem på någons tak, eller som en del av en småskalig stadsoperation. Oavsett placering blir vindkraftverk och vindkraft ett allt vanligare inslag i den moderna världen.

Mycket av detta har att göra med hotet om klimatförändring, luftföroreningar och önskan att avvänja mänskligheten av dess beroende av fossila bränslen. Och när det gäller alternativ och förnybar energi förväntas vindkraft ockupera den näst största andelen av marknaden i framtiden (efter solenergi). Men hur exakt fungerar vindkraftverk?

Beskrivning:

Luftturbiner är enheter som förvandlar vindens kinetiska energi och förändrar luftflödet till elektrisk energi. I allmänhet består de av följande komponenter: en rotor, en generator och en strukturell stödkomponent (som kan ha formen av antingen ett torn, en rotorbagmekanism eller båda).

En rotor består av bladen som fångar vindens energi och en axel, som omvandlar vindenergin till låg hastighet rotationsenergi. Generatorn - som är ansluten till axeln - omvandlar den långsamma rotationen till hög till elektrisk energi med hjälp av en serie magneter och en ledare (som vanligtvis består av spiralformad koppartråd).

När magneterna roterar runt med koppartråden ger den en skillnad i elektrisk potential, vilket skapar spänning och en elektrisk ström. Slutligen finns det strukturella stödkomponenten, som säkerställer att turbinen antingen står i tillräckligt höga höjder för att optimalt fånga förändringar i vindtrycket och / eller vända i riktning mot vindflödet.

Typer vindkraftverk:

För närvarande finns det två huvudtyper av vindkraftverk - Horisontella axlar Windturbines (HAWT) och Vertical Axis Wind Turbines (VAWT). Som namnet antyder har horisontella vindkraftverk en huvudrotoraxel och elektrisk generator på toppen av ett torn, med bladen riktade mot vinden. Turbinen är vanligtvis placerad motvind från sitt stödtorn, eftersom tornet troligen kommer att ge turbulens bakom sig.

Turbiner med vertikal axel (än en gång, som namnet antyder) har huvudrotoraxeln anordnad vertikalt. Dessa har vanligtvis mindre karaktär och behöver inte pekas i vindriktningen för att rotera. De kan därmed dra fördel av vind som är varierande i riktning.

Generellt sett anses vindkraftverk för horisontella axlar vara mer effektiva och kan producera mer kraft. Medan den vertikala modellen genererar mindre elektricitet kan den placeras på lägre höjder och behöver mindre i vägen för komponenter (särskilt en gävmekanism). Vindkraftverk kan också delas in i tre allmänna grupper baserat på deras design, som inkluderar modellerna Towered, Savonius och Darrieus.

Den tornade modellen är den mest konventionella formen av HAWT, bestående av ett torn (som namnet antyder) och en serie långa blad som sitter framför (och parallellt med) tornet. Savonis är en VAWT-modell som förlitar sig på konturerade blad (skopor) för att fånga vind och snurra. De är generellt lågeffektiva, men har fördelen av att vara självstartande. Dessa slags turbiner är ofta en del av vindvinden eller monteras på havsfartyg.

Darrieus-modellen, även känd som en "Eggbeater" -turbin, är uppkallad efter den franska uppfinnaren som var banbrytande designen - Georges Darrieus. Denna VAWT-modell använder en serie vertikala blad som sitter parallellt med det vertikala stödet. De är i allmänhet låg effektivitet, kräver en ytterligare rotor för att börja svänga, producera högt vridmoment och sätta hög spänning på tornet. Därför anses de vara opålitliga när design går.

Utvecklingshistoria:

Vindkraft har använts i tusentals år för att skjuta segel, driva vindkraftverk eller för att generera tryck för vattenpumpar. De tidigaste kända exemplen kommer från Centralasien, där vindkraftverk som används i det forna Persien (Iran) har daterats till mellan 500 - 900 e.Kr. Teknologin började dyka upp i Europa under medeltiden och blev ett gemensamt drag under 1500-talet.

Vid 1800-talet, med utvecklingen av elkraft, byggdes de första vindkraftverk som kunde generera elektricitet. Den första installerades 1887 av den skotska akademiker James Blyth för att tända sitt fritidshus i Marykirk, Skottland. 1888 byggde den amerikanska uppfinnaren Charles F. Brush den första automatiserade vindkraftanläggningen för att driva sitt hem i Cleveland, Ohio.

I början av 1900-talet började vindkraftverk bli ett vanligt sätt att driva hem i avlägsna områden (till exempel gårdstäder). 1941 installerades den första vindturbinen i megawatt-klassen i Vermont och kopplades till det lokala nätverket. 1951 installerade Förenade kungariket sin första anslutna vindkraftverk på Orkneyöarna.

På 1970-talet avancerade forskning och utveckling inom vindkraftverkstekniken betydligt tack vare OPEC-krisen och protester mot kärnkraften. Under de följande decennierna började föreningar och lobbyister dedikerade till alternativ energi dyka upp i Västeuropeiska länder och USA. Vid det sista decenniet av 1900-talet uppstod liknande ansträngningar i Indien och Kina på grund av växande luftföroreningar och ökande efterfrågan på ren energi.

Vindkraft:

Jämfört med andra former av förnybar energi, anses vindkraften vara mycket pålitlig och stadig, eftersom vinden är konsekvent från år till år och inte minskar under höga behovstimmar. Ursprungligen var byggandet av vindkraftsparker ett kostsamt företag. Men tack vare de senaste förbättringarna har vindkraften börjat sätta högsta priser på grossistmarknaderna för energimarknader över hela världen och skära ner i intäkterna och vinsterna från fossilbränslen.

Enligt en rapport som utfärdades av Department of Energy i mars 2015, kan tillväxten av vindkraft i USA leda till ännu mer högkvalificerade jobb i många kategorier. Med titeln ”Wind Vision: A New Era for Wind Power in the United States” indikerar dokumentet att industrin år 2050 skulle kunna stå för så mycket som 35% av USA: s elproduktion.

Under 2014 kom Global Wind Energy Council och Greenpeace International samman för att publicera en rapport med titeln “Global Wind Energy Outlook 2014”. I denna rapport anges att vindkraft över hela världen skulle kunna leverera så mycket som 25 till 30% av den globala elen 2050. Vid rapportens skrivande hade kommersiella installationer i mer än 90 länder en total kapacitet på 318 gigawatt (GW) cirka 3,1% av det globala utbudet.

Detta representerar en nästan sextonfaldig ökning i antagandegraden sedan år 2000, då vindkraften stod för mindre än 0,2%. Ett annat sätt att titta på det skulle vara att säga att vindkraftens marknadsandel har fördubblats fyra gånger på mindre än 15 år. Detta placerar den andra bara till solenergi, som fördubblats sju gånger under samma period, men fortfarande leder vind i termer av dess totala marknadsandel (till cirka 1% till 2014).

När det gäller dess nackdelar är en konsekvent vägd fråga hur vindkraftverk har på det lokala djurlivet och störningen deras närvaro har på det lokala landskapet. Emellertid har dessa bekymmer ofta visat sig vara uppblåsta av särskilda intressegrupper och lobbyister som försöker diskreditera vindkraft och andra förnybara energikällor.

Exempelvis konstaterade en studie från 2009 som släpptes av National Renewable Energy Laboratory att mindre än 1 tunnland per megawatt störs permanent av byggandet av stora vindkraftsparker och att mindre än 3,5 tunnland per megawatt störs tillfälligt. Samma studie drog slutsatsen att påverkningarna är relativt låga på fågel- och fladdermössdjur och att samma slutsatser gäller för offshore-plattformar.

Över hela världen söker regeringar och lokala samhällen vindkraft för att tillgodose deras energibehov. I en tid med stigande bränslepriser, växande oro över klimatförändringar och förbättring av teknik är detta knappast förvånande. Med den nuvarande antagandegraden är det troligtvis en av de största energikällorna i mitten av seklet.

Och se till att njuta av den här videon om vindkraftverk, med tillstånd av NASA: s Lewis Research Center:

Vi har skrivit många intressanta artiklar om vindkraftverk och vindkraft här på Space Magazine. Här är Vad är alternativ energi ?, Vad är fossila bränslen? Vad är de olika typerna av förnybar energi ?, Vindkraft på havet (med hjälp från rymden) och kan världen driva sol- och vindkraft?

Mer information finns i How Stuff Works-artikeln om vindkrafts historia och mekanik och NASA: s Greenspace-sida.

Astronomy Cast har också några avsnitt som är relevanta för ämnet. Här är avsnitt 51: Jorden och avsnitt 308: Klimatförändring.

källor: