Det verkar som om det varje vecka presenteras en ny vindkraftsgeneratorinnovation, ibland i teknikbloggar, ibland i TV-segment, ibland till och med i TED Talks. De hävdar alla att de är bättre än de ikoniska, trebladiga vindkraftverk med horisontell axel som vi är mest bekanta med. Så vad är den mest effektiva konstruktionen för att fånga upp vindkraft? Om varje konstruktion skulle utsättas för en konstant vindkälla och varje konstruktion hade samma yta (för blad, aerofiler eller andra komponenter), vilken skulle då generera mest elektricitet under samma tidsintervall?
Kort svar
Ett modernt horisontellt axlat, trebladigt vindkraftverk skulle generera mest elektricitet. Påståenden om överlägsen prestanda hos alternativa tekniker som åtföljs av förfrågningar om investeringar bör betraktas ytterst skeptiskt.
Långt svar
Den maximala potentiella produktionen från en vindvolym bestäms av Betz’ lag (alternativt kallad Betz’ gräns). Betz beräknade att den maximala effekt som kunde erhållas från vinden var 59,3 % av dess totala energi.
Trebladiga vindkraftverk med horisontell axel
Vertikal-axel med aerodynamiska blad
Kablat, flygande vindkraftverk (endast prototyper och ritningar för närvarande)
Horisontell-axelvindgeneratorer av olika typer utan aerodynamisk komponent i bladen
Vertikala-axis vindgeneratorer av olika typer, t.ex. Savoniusgeneratorn utan aerodynamiska blad
Varier olika apparater som ser ut som jetmotorer, eller jetmotorer med stora skorstenar, koner med kolvar (Saphonian ) eller korkskruvar
Torn som använder sig av passiv solvärme runt basen för att skapa starka vindar som strömmar upp i tornet förbi vindturbinblad som snurrar inne i tornet
Hur står de sig i förhållande till varandra?
Det finns över 300 000 horisontella vindkraftverk med tre blad som genererar el i dag. De är den vinnande produktionsformen eftersom de är mest effektiva. Skälen är lätta att förklara:
Aerodynamiska blad tillför en komponent av lyftrelaterad kraft för att driva bladet snabbare. Detta är en betydande fördel jämfört med vindkraftverk, oavsett om de är horisontella eller vertikalaxlade. Varje även adekvat konstruerat vindkraftverk med aerodynamiska blad kommer alltid att generera mer elektricitet än den bästa generatorn utan aerodynamisk lyftkraft som en komponent för energiinhämtning.
Bladen i den trebladiga konstruktionen flyger alltid genom ren luft. Turbulensen från det föregående bladets passage har förts ner i vinden när nästa blad passerar samma punkt. Vindkraftverk med vertikal axel, oavsett om de har blad eller är rena dragformer, flyger genom turbulent luft en betydande andel av tiden. Den rena luften ger de trebladiga HAWT:erna en betydande fördel.
Bladen i den trebladiga konstruktionen är alltid presenterade i den optimala vinkeln mot den motstående vinden. Aerodynamiskt bladförsedda vindkraftverk med vertikal axel ändrar ständigt bladens vinkel mot den inkommande vinden när de roterar, och endast en del av till och med de bästa konstruktionerna befinner sig i en optimal vinkel vid varje given tidpunkt. Att rikta HAWT:s blad mot den inkommande luften kräver obetydliga mängder energi jämfört med denna fördel. Savonius vindkraftverk (uppkallade efter en finsk ingenjör som skapade en vanlig variant 1922) är ännu värre eftersom de fångar upp vinden i konkaviteten på hälften av sin yta och släpper ut vinden på den konvexa delen med åtföljande luftmotstånd och ytterligare turbulens på den andra hälften av sin yta. (Jag analyserade en potentiell investering för ett litet företag i mikrokraftverk och såg att uppfinnaren hade skapat fem ”innovationer” kring den grundläggande Savonius-principen som förde den från en billig form av energi som var tillräcklig för mindre bevattningsanvändning till en mycket dyr form av energiproduktion som var tillräcklig för mindre bevattningsanvändning). För att ge ett sammanhang är här ett kostnadseffektivt Savonius-vindkraftverk för bevattning tillverkat av en gammal plasttunna och lite skrotvirke.
Trebladiga blad skalar upp bra. En av de största fördelarna är att man kan sätta en mycket stor uppsättning blad på ett mycket högt torn och samla in mycket vind ovanför den punkt där den saktar ner på grund av kontakt med marken.
Många ”nyskapande” konstruktioner har föreslagits där man använder sig av någon form av Venturi-effekt i kombination med turbinrotorer, men det grundläggande problemet är att för att samla in tillräckligt med vind måste man skala upp det yttre skalet till en punkt där vikt- och materialkostnader blir oöverkomliga. Ett ytterhölje måste skalas upp minst till kvadraten på diametern och troligen mer. Ett vindkraftverk på 3 MW med 80 meter långa blad kan fånga upp en del av energin från 20 096 kvadratmeter luft. Ett Venturi-skal i den skalan skulle ha en omkrets på 251,2 meter, skulle troligen behöva vara minst 10 meter brett innan märkbara effekter börjar uppstå och skulle väga enormt mycket.
Andra ”nyskapande” konstruktioner flyger vindfångande anordningar av något slag eller annat – turbinblad med luftskeppshölje, ramar med turbiner, drakar med turbiner – i vindar som är mer konstanta och högre upp från marken. Problemet är att dessa system ständigt stöter på skalgränser. Vindkraftverk med luftskeppshölje börjar få problem med styvheten långt innan de blir till storskalig vindkraftsproduktion. De flygande drakarna med blad börjar kräva massiva och mycket långa kablar för att motstå krafterna. Dessa prototyper är i allmänhet mycket intressanta men kommer aldrig ut på marknaden. Alla börjar kräva massiva markinstallationer med extraordinärt stora vinschar när man vill ha en produktion på nyttonivå. När man börjar tänka på fartygsskrovsstyrka multiplicerat med kilometer kabel börjar man inse att enbart kabelns vikt och kostnad blir oöverkomlig vid alla användbara generationsnivåer.
Treklöver sitter bara på ett ställe på en stor pelare när de genererar elektricitet. Detta är mycket effektivt, vilket är en av anledningarna till att de betalar tillbaka den energi som används vid byggandet snabbare än någon annan form av elproduktion. En vindkraftspark i Australien genererade under ett år 302 gånger den el som användes för att starta dem, bromsa dem och vända dem i vinden. Jämför detta med kraven för ett flygande vindkraftverk som måste dras in när det inte blåser, startas när det börjar blåsa och har en tung kabel som kan vara kilometerlång och justeras för att maximera produktionen regelbundet.
Den nedanstående grafen är hämtad från E. Hau:s bok från 2006, Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Springer. Tyskland. 2006. Redan då var detta ingen nyhet, utan bara en självklarhet att ta med i läroböcker.
Solvvindkraftstornet med turbinblad kommer närmast att vara en intressant teknik, men underhållet utforskas aldrig. Turbinerna föreställs ofta vara staplade 3-7 eller fler horisontellt uppför tornets längd. Alternativt kan mycket mindre turbiner placeras runt tornets bas i de tunnlar som leder från den expansiva glasparketten. De kommer att arbeta i mycket varma vindar, troligen 45 grader Celsius eller mer, med hastigheter på 50 km/h eller mer. Anordningen är i praktiken en konvektionsugn som skulle kunna koka en människa på kort tid. För att arbeta inne i tornet skulle det krävas kyldräkter och andningsutrustning, om vindhastigheten överhuvudtaget gör det möjligt. Att dra ut turbinhuvudet eller turbinbladen ur tornet för att utföra service skulle vara ett extraordinärt arbete. Att stänga vindintaget skulle kräva att man stänger portar på en diameter på fem kilometer.
Se mitt relaterade inlägg Invest noga; vindkrafts-”innovationer” är sällan kosher när det gäller de frågor som ska ställas om varje innovativ del av vindkraftsgenerering, särskilt om någon ber dig att satsa pengar på den.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
Varför är inte vindkraftverk med vertikal axel mer populära?
Är luftburna vindkraftverk en trovärdig källa till 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
Vindkraftverk betalar tillbaka den totala miljö-”skulden” på mindre än sex månader
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 utmärkta material om vindkraftverkens ekonomi
.
