Ett vindkraftverk är konstruerat så det omvandlar det man kallar rörelseenergi till elektrisk energi. Det finns olika konstruktioner på vindkraftverk, det som skiljer konstruktionerna på vindkraftverken är riktningen på turbinens axel. Den vanligaste typen av riktning på turbinens axel är horisontell vilket är den konstruktion som man vanligtvis föreställer sig ett vindkraftverk.
Vindkraftverken med horisontell axelrotor byggs tornformade. Längst upp i vindkraftstornet placeras rotorn och generatorn. Rotorn är konstruerad så att rotorn kan följa vindens riktning. Det är på axelrotorn som rotorbladen sitter. Genom vindens rörelse skapas en rotationskraft på rotorbladen som får axelrotorn att rotera och framkalla den rörelseenergi som omvandlas till elektrisk energi. Sammanfattningsvis kan man säga att huvudkomponenterna i ett vindkraftverk består av torn, fundament, rotor, maskinhus och styrsystem.
Här kan du se hur det går till när ett vindkraftverk sätts upp:
I maskinhuset
I vindkraftverkets maskinhus finn en maskinbädd som består av huvudkomponenter som huvudaxel med lager (den axel som vrids runt av rotorn), generator och girmotor som vrider hela maskinhuset i rätt vindriktning.
En vindmätare placeras ovanpå maskinhuset. Vindmätaren är kopplad till vindkraftverkets styrsystem som i sin tur styr maskinhuset.
Den huvudaxel med lager som vrids runt av rotorn sticker ut på framsidan av maskinhuset. På den bit av huvudaxeln som sticker ut monteras ett rotornav som rotorbladen kan monteras på. Det som sticker ut framför rotorbladen kallas noskon. Noskonet fungerar som skydd för navet och minskar den turbulens som kan förekomma framför maskinhuset. Huvudaxeln (primäraxel) som vrids runt av turbinen är hårt belastat av vindtrycket och turbintyngden. Huvudaxeln är sammankopplad med växellådan. Vidare från växellådan går en sekundäraxel som är sammankopplad med generatorn.
Växellådan i maskinhuset har till uppgift att öka varvtalet på huvudaxeln så att varvtalet passar generatorn. På större vindkraftverk ligger varvtalet på huvudaxeln på ungefär 20-30 rpm som sedan växlas upp till 1000-1500 rpm beroende på generatortyp. För att nå de här varvtalen måste uppväxlingen ske i flera steg. Det är därför vanligast idag med en trestegs växellåda. Andra typer av vindkraftverk använder en enstegs planetväxel tillsammans med en mångpolig synkrongenerator som går på låga varvtal. Idag finns det också vindkraftverk utan växellåda. Vindkraftstypen Enercon tillverkar vindkraftverk med en direktdriven synkrongenerator. Dessa vindkraftverk använder en stor ringgenerator som drivs direkt av rotorn.
Generatorn i maskinhuset varierar i storlek beroende på märkeffekten, vilket är den maximala effekten som vindkraftverket klarar av. Den maximala effekten uppnår man vid en bestämd vindstyrka som man kallar märkvind. Många fabrikat använder två olika typer av generatorer eller en dubbellindad generator. Vid svag vind använder man en mindre generator, vid stark vind används en större.
I ett vindkraftverk är bromsystemet viktigt. Vindkraftverken ska byggas med en aerodynamisk broms och en mekanisk broms, dessa två bromssystem ska vara oberoende av varandra. Den mekaniska bromsen ska kunna bromsa rotorn om det aerodynamiska bromssystemet slutat fungera. Det mekaniska bromssystemet är en bromsskiva som placeras på huvudaxeln eller på den axel som går mellan växellådan och generatorn.
För att rotorn ska få ut maximalt arbete då det blåser är det viktigt att rotorn står vinkelrätt mot vindriktningen. I större vindkraftverk används en girmotor för att ställa rotorn efter vindriktningen. Girmotorn styrs av en vindriktningsvisare från styrsystemet. Styrsystemet skickar signaler till girmotorn som vrider hela maskinhuset i rätt position i förhållande till vinden.
Maskinhusets huvudkomponenter
1. Oljekylare
2. Generatorkylare
3. Transformator
4. Ultra-sonic vindsensor
5. VMP-topkontroll
6. Servicekran
7. Generator
8. Elastisk koppling
9. Girväxel
10. Växellåda
11. Parkeringsbroms
12. Maskinfundament
13. Bladlager
14. Bladhuv
15. Blad
16. Huvkontroll
17. Pitchcylinder
Styrsystem
De kommersiella vindkraftverken som tillverkas idag använder ett avancerat datoriserat styrsystem. Genom modem är vindkraftverken anslutna till både ägare och tillverkare som genom datorer kan få driftinformation från verket. Genom ett program på datorn kan man kontrollera verkets produktion, driftavbrott och annan driftuppföljning. Genom modemanslutningen finns också möjligheten att styra vindkraftverket genom datorer. Normalt placeras vindkraftverkets styrsystem på tornets markplan. Enkelt uttryckt består styrsystemet av en dator som manövrerar styrning, driftövervakning och driftuppföljning. Datorn samlar in den här informationen genom fiberoptiska kablar som är sammankopplad med vindmätare och sensorer i maskinhusets komponenter och elnätet. Styrsystemet får ständigt information om vindriktningen och vindhastigheten som hela tiden förändras. För att vindkraftverket ska producera optimalt kan inte verket ständigt anpassa sig till vindförhållandena, i sådana fall skulle maskinhuset behöva vrida sig konstant vilket skulle resultera i försämrad effekt och en snabbare förslitning på girmotorn som vrider på maskinhuset. För att vindkraftverket ska kunna hålla i årtal utan ständig tillsyn och service måste styrsystemet programmeras för optimal livslängd. Styrsystemet är därför programmet så att girmotorn får signal att vrida maskinhuset först då vindens riktning kan betraktas som bestående. När vinden förflyttat sig ett visst antal grader och sedan stannat kvar en viss tid signaleras girmotorn att vrida maskinhuset. För att inte maskinhuset ska vridas för många varv åt samma håll och riskera att de kablar som går från maskinhuset och längs efter tornet lindas ihop, stoppar styrsystemet verket efter tre varv. Girmotorn får då signal om att vrida tillbaka lika många varv och starta om igen.
Torn
När man tillverkar torn till vindkraftverk är det vanligaste fabrikatet idag något som kallas koniska rörtorn. Dessa torn är bredare vid basen än vid toppen. Tornen tillverkas av stål som lackas vit eller grå. De vindkraftverk som är 40-80 m eller högre har ett rörtorn som är uppdelat i flera sektioner som monteras ihop vid installationen. Det här underlättar transporten av vindkraftverken. I nederdelen av vindkraftverket placerar man en dörr som leder in till vindkraftverkets styrsystem. Härifrån går också en stege upp till maskinhuset. Idag finns det i större vindkraftverk hiss upp till maskinhuset. I Europa är koniska rörtorn av stål vanligast, men det finns också fabrikat som använder betongtorn eller fackverk (typ av kraftledningstolpe). Höjden på ett vindkraftverk brukar delas upp i navhöjd och totalhöjd. Navhöjden är avståndet mellan marken och navets mittpunkt. Totalhöjden är navhöjden plus rotorbladets längd.
Fundament
Innan monteringen av vindkraftverket kan påbörjas måste det först byggas ett fundament. Fundamentet ska bära verkets tyngd och fungera som motvikt. Hur fundamentet ska konstrueras avgörs av markens beskaffenhet, vindkraftverkets tyngd, storlek och höjd på tornet. När man bygger ett fundament grävs först en grop. Gropens botten jämnas sedan till för att man ska kunna placera ut armeringsjärn. I gropens mitt byggs en pelare som ska användas som sockel för vindkraftverket. Gropen fylls sedan med betong. När betongen efter ca en månad har härdat täcks fundamentet med fyllnadsmassa för att återställa marken.
Rotorn
Principen med rotorblad kan beskrivas med att vindtrycket som bildas mot de stillastående rotorbladen tvingar luften åt ena hållet och bladen åt andra hållet så att rotorn börjar rotera. Grundkonstruktionen på vindkraftverkens rotor fungerar ungefär som på vingarna hos ett flygplan. Hos flygplansvingarna liksom på rotorbladen på ett vindkraftverk finns det två krafter som verkar. Den ena är motståndskraften som drar bakåt och den andra är lyftkraften som drar uppåt (den som får planet att lyfta och vindkraftverkets rotor att börja rotera). Dessa krafter kan du själv känna genom att sträcka ut armen genom sidorutan då du åker bil. Du känner först en kraft som drar bakåt. Om du sedan sträcker ut armen rakt och håller handflatan parallellt med vägen samtidigt som du försiktigt vrider armen kommer du känna en lyftkraft som vill dra armen uppåt. När vinden träffar rotorbladen skapas alltså en lyftkraft som får bladen att rotera i rotationsriktingen. Lyftkraften beror på vindens anfallsvinkel mot bladprofilen. Anfallsvinkeln på rotorbladen ställs efter rotationsplanet
Varje vindkraftverks rotor har en bestämd svepyta. Svepytan är den yta som rotorbladen omringar när de roterar. Det är rotorbladens svepyta som avgör hur mycket energi som kan tas upp från vinden. Desto större svepyta desto mer energi kan utvinnas.
De vindkraftverk som är vanligast på marknaden idag använder två eller tre rotorblad och kallas snabblöpare. Det finns också vindkraftverk som konstruerats med ett rotorblad. Snabblöparna har högt varvtal och utnyttjar därför vinden effektivt trots att bladytan är liten i förhållande till svepytan. Vindturbinen på ett vindkraftverk brukar beräknas omvandla 40-45 % av vindens rörelseenergi till elektrisk energi. De enorma krafterna som finns i vinden ställer krav på hur man reglerar effektuttaget från vinden. Det här kallas effektreglering och innebär att vindkraftverket begränsar effektuttaget ur vinden när den nått märkvind. De två vanligaste metoderna för att reglera effektuttaget är stallreglering och pitchreglering. Stallregleringen utnyttjar en bladprofil som skapar luftvirvlar vid märkvind så att lyftkraften minskas samtidigt som motståndet ökar. Pitchreglerade vindkraftverk kan genom styrsystemet som ständigt kontrollerar generatorns effekt vrida rotorbladen vid navet för att reglera effekten.
Det är viktigt att rotorn har rätt löptal. Med detta menas förhållandet mellan bladspetsens hastighet och hastigheten på den ostörda vinden. Löptalet avgörs av antalet rotorblad. Vindkraftverket får högre löptal desto färre rotroblad som används. Ett vindkraftverk med ett rotorblad har högre varvtal än ett verk med två rotorblad om båda har samma rotordiameter. Rotorns varvtal anges i varv per minut (rpm). Rotorbladets spetshastighet anges i meter per sekund (m/s). Hastigheten vid rotorbladets spets beror på varvtalet och rotorns radie. Desto större rotorradie desto mer ökar rotorbladets spetshastighet. Hastigheten på rotorbladet ökar ju närmare du kommer bladets spets.
Källor:
Litteratur:
Wizelius, Tore, 2002, Vindkraft i teori och praktik. Studentlitteratur, Lund
Elektroniska källor:
http://sv.wikipedia.org/wiki/Vindkraft
http://www.vindkraftforeningen.fi/html/fakta_o_vk.html
http://www.svenskvindkraft.se/index.php?option=com_content&task=view&id=6&Itemid=6
http://www.taggenvindpark.se/media/1052/komponenter.png?width=500&height=372.95690936106985 (Bild och beskrivning)