Baggrund
En vindmølle er en maskine, der omdanner vindens kinetiske energi til roterende mekanisk energi, som derefter bruges til at udføre arbejde. I mere avancerede modeller omdannes rotationsenergien til elektricitet, den mest alsidige form for energi, ved hjælp af en generator.
I tusindvis af år har folk brugt vindmøller til at pumpe vand eller kværne korn. Selv op i det 20. århundrede blev høje, slanke, fløjede vindmøller med flere vinger, der var fremstillet udelukkende af metal, brugt i amerikanske hjem og på ranches til at pumpe vand ind i husets rørsystem eller i kvægets vandingstrug. Efter Første Verdenskrig begyndte man at arbejde på at udvikle vindmøller, der kunne producere elektricitet. Marcellus Jacobs opfandt en prototype i 1927, som kunne levere strøm til en radio og et par lamper, men ikke til meget andet. Da efterspørgslen efter elektricitet senere steg, faldt Jacobs’ små, utilstrækkelige vindmøller ud af brug.
Den første vindmølle i stor skala, der blev bygget i USA, blev udtænkt af Palmer Cosslett Putnam i 1934; han færdiggjorde den i 1941. Maskinen var enorm. Tårnet var 36,6 yards (33,5 meter) højt, og dets to vinger i rustfrit stål havde en diameter på 58 yards (53 meter). Putnams vindmølle kunne producere 1.250 kilowatt elektricitet, hvilket var nok til at dække en lille bys behov. Den blev imidlertid opgivet i 1945 på grund af mekanisk svigt.
Med 1970’ernes olieembargo begyndte USA atter at overveje muligheden for at producere billig elektricitet fra vindmøller. I 1975 var prototypen Mod-O i drift. Dette var en 100 kilowatt-mølle med to 21-yard (19 meter) vinger. Flere prototyper fulgte efter (Mod-OA, Mod-1, Mod-2 osv.), hver større og mere kraftfuld end den foregående. I øjeblikket sigter det amerikanske energiministerium efter at nå op over 3 200 kilowatt pr. maskine.
Der findes mange forskellige modeller af vindmøller, hvoraf den mest iøjnefaldende er Darrieus med lodret akse, der er formet som en æggekølle. Den model, der støttes mest af kommercielle producenter, er imidlertid en horisontalakse-mølle med en kapacitet på omkring 100 kilowatt og tre vinger, der ikke er mere end 30 meter lange. Vindmøller med tre vinger drejer mere jævnt og er lettere at balancere end møller med to vinger. Mens større vindmøller producerer mere energi, er de mindre modeller mindre tilbøjelige til at få større mekaniske svigt og er derfor mere økonomiske at vedligeholde.
Der er opstået vindmølleparker over hele USA, især i Californien. Vindmølleparker er store vindmølleparker, der er opstillet i områder med gunstig vindproduktion. Det store antal sammenkoblede vindmøller er nødvendigt for at kunne producere nok elektricitet til at dække behovene hos en stor befolkning. I øjeblikket producerer 17 000 vindmøller på vindmølleparker, der ejes af flere vindmølleselskaber, 3,7 mia. kilowatttimer elektricitet om året, hvilket er nok til at dække energibehovet i 500 000 husstande.
Råmaterialer
En vindmølle består af tre grundlæggende dele: tårnet, nacellen og rotorbladene. Tårnet er enten et stålgittertårn i lighed med elmaster eller et rørformet ståltårn med en indvendig stige til nacellen.
Dernæst monteres glasfibergondellen. Dens indre dele – hoveddrivakslen, gearkassen og bladets pitch- og yaw-kontrol – samles og monteres på en basisramme på en fabrik. Gondolen boltes derefter fast omkring udstyret. På byggepladsen løftes nacellen op på det færdige tårn og boltes fast på plads.
De fleste tårne har ikke afskærmninger, som er kabler, der bruges til støtte, og de fleste er fremstillet af stål, der er blevet belagt med en zinklegering til beskyttelse, selv om nogle er malet i stedet. Tårnet på en typisk amerikansk fremstillet mølle er ca. 80 fod højt og vejer omkring 19.000 pund.
Gondlen er en stærk, hul skal, der indeholder vindmøllens indre. Gondlen, der normalt er fremstillet af glasfiber, indeholder hoveddrivakslen og gearkassen. Den indeholder også bladets pitch control, et hydraulisk system, der styrer vinklen på bladene, og yaw-drevet, der styrer møllens position i forhold til vinden. Generatoren og den elektroniske styring er standardudstyr, hvis hovedkomponenter er stål og kobber. En typisk gondol til en nuværende mølle vejer ca. 22.000 pund.
Den mest forskelligartede brug af materialer og de fleste eksperimenter med nye materialer finder sted med vingerne. Selv om det mest dominerende materiale, der anvendes til vingerne i kommercielle vindmøller, er glasfiber med en hul kerne, omfatter andre materialer i brug letvægtstræ og aluminium. Træblade er solide, men de fleste vinger består af en hud, der omgiver en kerne, som enten er hul eller fyldt med et letvægtsmateriale som f.eks. plastskum, honeycomb eller balsatræ. Et typisk glasfiberblad er ca. 15 meter langt og vejer ca. 2.500 pund.
Vindmøller omfatter også en forsyningsboks, som omdanner vindenergien til elektricitet, og som er placeret i bunden af tårnet. Forskellige kabler forbinder forsyningsboksen med nacellen, mens andre forbinder hele møllen med nærliggende møller og med en transformer.
Fremstillingsprocessen
Før det kan overvejes at opføre de enkelte vindmøller, skal producenterne fastlægge et passende område til placering af vindmølleparker. Vinden skal være konstant, og dens hastighed skal regelmæssigt være over 15,5 miles i timen (25 kilometer i timen). Hvis vindene er stærkere på bestemte årstider, foretrækkes det, at de er størst i perioder med maksimalt elforbrug. I Altamont Pass i Californien, hvor verdens største vindmøllepark ligger, er vindhastigheden f.eks. størst om sommeren, når efterspørgslen er høj. I nogle områder i New England, hvor vindmølleparker overvejes, er vinden stærkest om vinteren, når behovet for
opvarmning øger forbruget af elektrisk energi. Vindmølleparker fungerer bedst i åbne områder med let kuperet land, der er omgivet af bjerge. Disse områder foretrækkes, fordi vindmøllerne kan placeres på højdedrag og ikke hindres af træer og bygninger, og fordi bjergene koncentrerer luftstrømmen og skaber en naturlig vindtunnel med stærkere og hurtigere vinde. Vindmølleparker skal også placeres i nærheden af forsyningsledninger for at lette overførslen af elektricitet til det lokale kraftværk.
Forberedelse af stedet
- 1 Hvor der skal bygges en vindmøllepark, bliver vejene skåret ned for at gøre plads til transport af dele. Ved hver vindmølleplacering nivelleres jorden, og pad-området udjævnes. Derefter lægges der et betonfundament i jorden, hvorefter de underjordiske kabler installeres. Disse kabler forbinder vindmøllerne med hinanden i serie og forbinder dem alle med fjernstyringscentret, hvor vindmølleparken overvåges, og elektriciteten sendes til elselskabet.
Opstilling af tårnet
- 2 Selv om tårnets ståldele fremstilles uden for fabrikken på en fabrik, monteres de normalt på stedet. Delene boltes sammen før opstilling, og tårnet holdes vandret, indtil det placeres. En kran løfter tårnet op på plads, alle bolte strammes, og stabiliteten afprøves, når det er færdigt.
Nacelle
- 3 Fiberglasgondolen fremstilles ligesom tårnet uden for stedet på en fabrik. I modsætning til tårnet sættes den dog også sammen på fabrikken. Dens indre dele – hoveddrivaksel, gearkasse og bladets pitch- og yaw-styring – samles og monteres derefter på en basisramme. Gondlen er derefter boltet fast
Forsyningsboksen til hver vindmølle og det elektriske kommunikationssystem til vindmølleparken installeres samtidig med placeringen af gondlen og vingerne. Der løber kabler fra nacellen til forsyningsboksen og fra forsyningsboksen til fjernstyringscentret.rundt om udstyret. På byggepladsen løftes nacellen op på det færdige tårn og boltes fast på plads.
Roterende vinger
- 4 Aluminiumsvinger fremstilles ved at bolte aluminiumsplader sammen, mens trævinger udskæres til en aerodynamisk propel med et tværsnit, der ligner en flyvinge.
- 5 Langt det største antal vinger er dog dannet af glasfiber. Fremstillingen af glasfiber er en omhyggelig operation. Først fremstilles en støbeform, der er i to halvdele som en muslingeskal, men som er formet som et blad. Derefter påføres en glasfiber-harpiks-kompositblanding på de indre overflader af formen, som derefter lukkes. Glasfiberblandingen skal derefter tørre i flere timer; mens det sker, hjælper en luftfyldt blære i formen bladet med at holde sin form. Når glasfibermassen er tør, åbnes formen, og blæren fjernes. Den endelige klargøring af bladet omfatter rengøring, slibning, forsegling af de to halvdele og maling.
- 6 Bladene boltes normalt fast på gondolen, efter at den er blevet placeret på tårnet. Da monteringen er nemmere at udføre på jorden, er der lejlighedsvis en trebenet klinge, hvor to klinger er boltet på gondolen, inden den løftes, og den tredje klinge er boltet på, efter at gondolen er på plads.
Installation af kontrolsystemer
- 7 Forsyningsboksen til hver vindmølle og det elektriske kommunikationssystem for vindmølleparken installeres samtidig med placeringen af nacellen og vingerne. Der løber kabler fra nacellen til forsyningsboksen og fra forsyningsboksen til fjernstyringscentralen.
Kvalitetskontrol
I modsætning til de fleste fremstillingsprocesser involverer produktionen af vindmøller meget lidt bekymring med hensyn til kvalitetskontrol. Da masseproduktion af vindmøller er ret ny, er der ikke fastsat nogen standarder. Der gøres nu en indsats på dette område fra både regeringens og producenternes side.
Selv om man regner med, at de vindmøller, der er i drift, fungerer 90 procent af tiden, er der stadig mange strukturelle fejl, især i forbindelse med vingerne. Der opstår undertiden revner kort efter fremstillingen. Mekanisk svigt på grund af justerings- og monteringsfejl er almindeligt forekommende. Elektriske sensorer svigter ofte på grund af overspænding. Ikke-hydrauliske bremser har tendens til at være pålidelige, men hydrauliske bremsesystemer giver ofte problemer. Der er ved at blive udarbejdet planer om at anvende eksisterende teknologi til at løse disse problemer.
Vindmøller har regelmæssige vedligeholdelsesplaner med henblik på at minimere fejl. Hver tredje måned gennemgår de en inspektion, og hver sjette måned er der planlagt et større vedligeholdelsescheck. Dette omfatter normalt smøring af de bevægelige dele og kontrol af oliestanden i gearkassen. Det er også muligt for en medarbejder at teste det elektriske system på stedet og notere eventuelle problemer med generatoren eller tilslutningerne.
Miljømæssige fordele og ulemper
En vindmølle, der producerer elektricitet fra uudtømmelige vinde, skaber ingen forurening. Til sammenligning producerer kul, olie og naturgas et til to pund kuldioxid (en emission, der bidrager til drivhuseffekten og den globale opvarmning) pr. produceret kilowatt-time. Når vindenergi anvendes til elforsyning, mindskes afhængigheden af fossile brændstoffer til dette formål. Den nuværende årlige produktion af elektricitet fra vindmøller (3,7 milliarder kilowatttimer) svarer til fire millioner tønder olie eller en million tons kul.
Vindmøller er ikke helt fri for miljømæssige ulemper. Mange mennesker anser dem for at være uæstetiske, især når store vindmølleparker opføres i nærheden af uberørte naturområder. Der er blevet dokumenteret fugledrab, og de snurrende vinger producerer en del støj. Bestræbelserne på at mindske disse virkninger omfatter udvælgelse af steder, der ikke falder sammen med vildmarksområder eller fugletrækruter, og forskning i metoder til at mindske støjen.
Fremtiden
Fremtiden kan kun blive bedre for vindmøller. Potentialet for vindenergi er stort set uudnyttet. Det amerikanske energiministerium anslår, at der i 1995 kan produceres ti gange så meget elektricitet som i øjeblikket. I 2005 vil det være muligt at opnå halvfjerds gange den nuværende produktion. Hvis det lykkes, vil vindmøller tegne sig for 10 % af USA’s elproduktion.
Der foregår nu forskning for at øge kendskabet til vindressourcerne. Dette indebærer, at man tester flere og flere områder for at undersøge muligheden for at placere vindmølleparker, hvor vinden er pålidelig og stærk. Der er planer om at øge maskinens levetid fra fem år til 20-30 år, forbedre vibenes effektivitet, sørge for bedre styring, udvikle drivlinier, der holder længere, og give mulighed for bedre overspændingsbeskyttelse og jordforbindelse. USA’s energiministerium har for nylig opstillet en tidsplan for gennemførelsen af den seneste forskning med henblik på at bygge vindmøller med en højere effektivitet, end det er muligt i dag. (Virkningsgraden for en ideel vindmølle er 59,3 %. Det vil sige, at 59,3 procent af vindens energi kan indfanges. Turbiner, der anvendes i praksis, har en effektivitet på ca. 30 %). USA’s energiministerium har også indgået kontrakt med tre virksomheder om at forske i metoder til at reducere mekaniske svigt. Dette projekt begyndte i foråret 1992 og vil strække sig til slutningen af århundredet.
Vindmøller vil blive mere udbredte i de kommende år. Verdens største producent af vindmøller, U.S. Windpower, planlægger at udvide sin kapacitet fra 420 megawatt (4.200 maskiner) til 800 megawatt (8.000 maskiner) inden 1995. De planlægger at have en kapacitet på 2.000 megawatt (20.000 maskiner) i år 2000. Andre vindmølleproducenter planlægger også at øge antallet af producerede vindmøller. Internationale udvalg bestående af flere industrialiserede lande har dannet sig for at drøfte vindmøllernes potentiale. Der gøres også bestræbelser på at forsyne udviklingslandene med små vindmøller svarende til de vindmøller, som Marcellus Jacobs byggede i 1920’erne. Danmark, som allerede producerer 70-80 procent af Europas vindkraft, er ved at udvikle planer om at udvide produktionen af vindmøller. Ved århundredeskiftet skulle man gerne se vindmøller, der er velplacerede, effektive, holdbare og talrige.
– Rose Secrest