Det virker som om, at der hver uge bliver afsløret en ny vindgeneratorinnovation, nogle gange i teknologiblogs, nogle gange i tv-indslag, nogle gange endda i TED Talks. De hævder alle at være bedre end de ikoniske trebladede vindmøller med horisontalakse, som vi er mest bekendt med. Så hvad er det mest effektive design til at opsamle vindenergi? Hvis hvert design var udsat for en konstant vindkilde, og hvert design havde samme overfladeareal (til vinger, aerofoils eller andre komponenter), hvilken ville så generere mest elektricitet i det samme tidsinterval?
Kort svar
En moderne horisontalakset, trebladet vindmølle ville generere mest elektricitet. Påstande om alternative teknologiers overlegne ydeevne, der ledsages af anmodninger om investeringer, bør betragtes yderst skeptisk.
Langt svar
Den maksimale potentielle produktion fra en vindmængde bestemmes af Betz’ lov (alternativt kendt som Betz’ grænse). Betz beregnede, at den maksimale effekt, der kunne hentes fra vinden, var 59,3 % af dens samlede energi.
Trebladede vindmøller med horisontalakse
Vertikal-aksede vindmøller med aerodynamiske vinger
Kablet, flyvende vindgeneratorer (kun prototyper og renderinger på nuværende tidspunkt)
Horizontal-aksevindgeneratorer af forskellige typer uden aerodynamisk komponent i vingerne
Vertikal-aksede vindgeneratorer af forskellige typer såsom Savonius-generatoren uden aerodynamiske vinger
Flere forskellige anordninger, der ligner jetmotorer, eller jetmotorer med store tragte, kegler med stempler (Saphonian ) eller proptrækkere
Tårne, der bruger passiv solvarme omkring deres base til at skabe stærke vinde, der strømmer op i tårnet forbi vindmøllevinger, der snurrer inde i tårnet
Hvordan klarer de sig?
Der findes i dag over 300.000 trebladede horisontalaksevindmøller i forsyningsskala, der producerer strøm. De er den vindende produktionsform, fordi de er den mest effektive. Årsagerne er nemme at forklare:
Aerodynamiske vinger tilføjer en komponent af løfte-relateret kraft for at drive vingen hurtigere. Dette er en væsentlig fordel i forhold til vindmøller, uanset om de er horisontal- eller vertikalakserede. Enhver selv tilstrækkeligt konstrueret vindmølle med aerodynamiske vinger vil altid generere mere elektricitet end den bedste generator uden aerodynamisk løft som en komponent af energiindvinding.
Vingerne i den trebladede konstruktion flyver altid gennem ren luft. Turbulensen fra det foregående blads passage er blevet båret ned i vinden, når det næste blad passerer det samme punkt. Vindmøller med lodret akse, uanset om der er tale om vindmøller med blade eller rene trækformer, flyver gennem turbulent luft en betydelig procentdel af tiden. Den rene luft giver de trebladede HAWT’er en betydelig fordel.
Bladene i den trebladede konstruktion er altid præsenteret i den optimale vinkel i forhold til den modgående vind. Aerodynamisk beblæste vindmøller med lodret akse ændrer konstant vinklen på deres vinger i forhold til den modgående vind, mens de roterer, og kun en del af selv de bedste konstruktioner er i en optimal vinkel på et givet tidspunkt. At tilpasse HAWT’ernes vinger til den modkørende luft kræver en ubetydelig mængde energi sammenlignet med denne fordel. Savonius-vindgeneratorer (opkaldt efter en finsk ingeniør, der skabte en almindelig variant i 1922) er endnu værre, da de fanger vinden i konkavdelen på halvdelen af deres overfladeareal og afgiver vinden på den konvekse del med dertil hørende modstand og yderligere turbulens på den anden halvdel af deres overfladeareal. (Jeg analyserede en potentiel investering for et lille firma i mikrokraftværker og så, at opfinderen havde skabt 5 “innovationer” omkring den grundlæggende Savonius-præmis, som bragte den fra en billig form for energi, der var tilstrækkelig til mindre vandingsformål, til en meget dyr form for energiproduktion, der var tilstrækkelig til mindre vandingsformål). For kontekstens skyld er her en omkostningseffektiv Savonius-vandingsvindmølle lavet af en gammel plastiktønde og noget skrot tømmer.
Trefløjede vinger skalerer godt op. En af de største fordele er, at man kan sætte et meget stort sæt vinger på et meget højt tårn og samle masser af vind over det punkt, hvor den bliver langsommere på grund af kontakt med jorden.
Der er blevet foreslået mange “innovative” konstruktioner, der bruger en slags Venturi-effekt i kombination med møllerotorer, men det grundlæggende problem er, at man for at kunne samle tilstrækkelig vind er nødt til at skalere den ydre skalering op til et punkt, hvor vægt- og materialeomkostningerne bliver uoverkommelige. En yderskal skal mindst være lige så stor som kvadratet på diameteren og sandsynligvis mere. En vindmølle på 3 MW med 80 meter lange vinger kan kun opfange en del af energien fra 20 096 kvadratmeter luft. En Venturi-skal i den skala ville have en omkreds på 251,2 meter, skulle sandsynligvis være mindst 10 meter bred, før mærkbare virkninger begyndte at slå igennem, og ville veje enormt meget.
Andre “innovative” konstruktioner flyver vindopsamlingsanordninger af en eller anden art – vindmøllevinger med luftballonskal, rammer med turbiner, drager med turbiner – ind i en vind, der er mere konstant og højere oppe fra jorden. Problemet er, at de hele tiden støder på grænser for deres størrelse. Den vindmølle, der er lavet af en luftballon, begynder at få problemer med stivheden, længe før den når til at blive produceret i forsyningsskala. De flyvende drager med vinger begynder at kræve massive og meget lange kabler for at kunne modstå kræfterne. Generelt er disse prototyper meget interessante, men de kommer aldrig på markedet. De begynder alle at kræve massive installationer på jorden med ekstraordinært store spil, når man ønsker en produktion på forsyningsniveau. Når man begynder at tænke på skibsskibsskibsstyrke multipliceret med kilometer lange kabler, begynder man at indse, at alene kablernes vægt og omkostninger bliver uoverkommelige ved ethvert nyttigt produktionsniveau.
Tre-blade sidder bare på ét sted på en stor søjle, når de genererer elektricitet. Det er meget effektivt, og det er en af grundene til, at de tilbagebetaler den energi, der bruges til opførelsen, hurtigere end nogen anden form for elproduktion. En vindmøllepark i Australien producerede i løbet af et år 302 gange den elektricitet, der blev brugt til at starte dem, bremse dem og dreje dem i vinden. Sammenlign dette med kravene til en flyvende vindmølle, som skal trækkes ind, når vinden ikke blæser, sættes i gang, når vinden begynder at blæse, og som har et tungt kabel, der potentielt er kilometer langt, der justeres for at maksimere produktionen regelmæssigt.
Den nedenstående graf er fra E. Hau’s bog fra 2006, Wind Turbines, fra 2006: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Springer. Tyskland. 2006. Allerede dengang var dette ikke nogen nyhed, men blot en oplagt oplysning at medtage i lærebøger.
Sol-vind-tårnet med turbineblade kommer nærmest til at være en interessant teknologi, men vedligeholdelsen er aldrig udforsket. Turbinerne forestilles ofte at blive stablet 3-7 eller flere vandret op ad tårnets længde. Alternativt er meget mindre møller placeret rundt om tårnets fod i de tunneler, der fører fra den store glaspartier. De vil fungere i meget varme vinde, sandsynligvis 45 grader celsius eller derover, med hastigheder på 50 km/t og derover. Anordningen er i realiteten en konvektionsovn, der kan tilberede et menneske på kort tid. Arbejde inde i tårnet vil kræve køledragter og åndedrætsudstyr, hvis det overhovedet er muligt på grund af vindhastigheden. At trække møllehovedet eller vingerne ud af tårnet for at servicere dem ville være et ekstraordinært arbejde. Lukning af vindindgangen ville kræve lukning af porte på en diameter på fem kilometer.
Se mit relaterede indlæg Invest omhyggeligt; vindenergi ‘innovationer’ er sjældent kosher for de spørgsmål, man skal stille om ethvert innovativt stykke vindproduktion, især hvis nogen beder dig om at sætte penge i det.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
Hvorfor er vindmøller med lodret akse ikke mere populære?
Er luftbårne vindmøller en plausibel kilde til billig energi?
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
Vindmøller tilbagebetaler den samlede miljømæssige ‘gæld’ på under seks måneder
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
Paul Gipes fremragende materiale om vindproduktionsøkonomi
