Free Press

Bakgrund

Ett vindkraftverk är en maskin som omvandlar vindens rörelseenergi till roterande mekanisk energi, som sedan används för att utföra arbete. I mer avancerade modeller omvandlas rotationsenergin till elektricitet, den mest mångsidiga energiformen, med hjälp av en generator.

I tusentals år har människor använt väderkvarnar för att pumpa vatten eller mala spannmål. Ända in på 1900-talet användes höga, slanka, flervaniga vindkraftverk tillverkade helt i metall i amerikanska hem och på ranchar för att pumpa vatten till husets rörsystem eller till boskapens vattentråg. Efter första världskriget började man arbeta för att utveckla vindturbiner som kunde producera elektricitet. Marcellus Jacobs uppfann 1927 en prototyp som kunde ge ström till en radio och några lampor men inte mycket mer. När efterfrågan på el senare ökade föll Jacobs små, otillräckliga vindkraftverk ur bruk.

Det första storskaliga vindkraftverket som byggdes i USA utformades av Palmer Cosslett Putnam 1934; han färdigställde det 1941. Maskinen var enorm. Tornet var 36,6 yards (33,5 meter) högt och dess två blad av rostfritt stål hade en diameter på 58 yards (53 meter). Putnams vindkraftverk kunde producera 1 250 kilowatt el, eller tillräckligt för att tillgodose behoven i en liten stad. Det övergavs dock 1945 på grund av mekaniska fel.

I och med 1970-talets oljeembargo började USA återigen överväga möjligheten att producera billig el från vindkraftverk. År 1975 var prototypen Mod-O i drift. Detta var en turbin på 100 kilowatt med två blad på 21 yard (19 meter). Fler prototyper följde (Mod-OA, Mod-1, Mod-2 osv.), var och en större och kraftfullare än den föregående. För närvarande siktar Förenta staternas energidepartement på att nå över 3 200 kilowatt per maskin.

Det finns många olika modeller av vindkraftverk, varav den mest slående är Darrieus med vertikal axel, som är formad som en äggvisp. Den modell som har mest stöd av kommersiella tillverkare är dock en turbin med horisontell axel, med en kapacitet på cirka 100 kilowatt och tre blad som inte är längre än 33 yards (30 meter). Vindkraftverk med tre blad snurrar jämnare och är lättare att balansera än vindkraftverk med två blad. Även om större vindkraftverk producerar mer energi är det mindre sannolikt att de mindre modellerna drabbas av större mekaniska fel och är därför mer ekonomiska att underhålla.

Vindkraftverk har vuxit upp över hela USA, framför allt i Kalifornien. Vindkraftparker är enorma grupper av vindkraftverk som placeras i områden med gynnsam vindproduktion. Det stora antalet sammankopplade vindkraftverk är nödvändigt för att producera tillräckligt med elektricitet för att tillgodose behoven hos en stor befolkning. För närvarande producerar 17 000 vindkraftverk i vindkraftsparker som ägs av flera vindkraftsföretag 3,7 miljarder kilowattimmar el per år, vilket är tillräckligt för att tillgodose energibehovet hos 500 000 hushåll.

Råvaror

Ett vindkraftverk består av tre grundläggande delar: tornet, gondolen och rotorbladen. Tornet är antingen ett fackverkstorn av stål som liknar elkraftverkstorn eller ett stålrörstorn med en inre stege till nacellen.

Det första steget i konstruktionen av ett vindkraftverk är att resa tornet. Även om tornets ståldelar tillverkas utanför anläggningen i en fabrik, monteras de vanligtvis på plats. Delarna bultas ihop före uppförandet och tornet hålls horisontellt fram till placeringen. En kran lyfter tornet på plats, alla bultar dras åt och stabiliteten testas när det är klart.
Nästan installeras glasfibergondolen. Dess inre delar – huvudaxeln, växellådan och kontrollerna för bladens stigning och gir – monteras och monteras på en basram i en fabrik. Gondolen skruvas sedan fast runt utrustningen. På byggarbetsplatsen lyfts gondolen upp på det färdiga tornet och bultas fast på plats.

De flesta torn har inga stag, som är kablar som används som stöd, och de flesta är tillverkade av stål som har belagts med en zinklegering som skydd, även om vissa är målade i stället. Tornet på en typisk amerikansktillverkad turbin är cirka 80 fot högt och väger cirka 19 000 pund.

Gondolen är ett starkt, ihåligt skal som innehåller vindkraftverkets inre delar. Gondolen är vanligtvis tillverkad av glasfiber och innehåller huvuddrivaxeln och växellådan. Den innehåller också bladens pitch control, ett hydraulsystem som styr bladens vinkel, och yaw drive, som styr turbinens position i förhållande till vinden. Generatorn och den elektroniska styrningen är standardutrustning som huvudsakligen består av stål och koppar. En typisk nacelle för en aktuell turbin väger cirka 22 000 pund.

Den mest varierande användningen av material och det mesta experimenterandet med nya material sker med bladen. Även om det mest dominerande materialet som används för bladen i kommersiella vindkraftverk är glasfiber med en ihålig kärna, är andra material som används lätta träslag och aluminium. Träblad är massiva, men de flesta blad består av ett skal som omger en kärna som antingen är ihålig eller fylld med ett lättviktsmaterial, t.ex. plastskum eller honungskakor, eller balsaträ. Ett typiskt glasfiberblad är cirka 15 meter långt och väger cirka 2 500 pund.

Vindkraftverk innehåller också en elbox som omvandlar vindenergin till elektricitet och som är placerad vid tornets bas. Olika kablar förbinder bruksboxen med nacellen, medan andra förbinder hela turbinen med närliggande turbiner och med en transformator.

Tillverkningsprocessen

Innan man kan överväga att bygga enskilda vindkraftverk måste tillverkarna bestämma ett lämpligt område för placering av vindkraftverk. Vinden måste vara jämn och dess hastighet måste regelbundet överstiga 15,5 miles per timme (25 kilometer per timme). Om vindarna är starkare under vissa årstider är det att föredra att de är störst under perioder med maximal elanvändning. I Altamont Pass i Kalifornien till exempel, där världens största vindkraftspark finns, är vindhastigheten som störst på sommaren när efterfrågan är stor. I vissa områden i New England där man överväger att bygga vindkraftparker är vindarna starkast på vintern, när behovet av elkraft är som störst. Den innehåller också bladens pitch control, ett hydraulsystem som styr bladens vinkel, och yaw-driften, som styr turbinens position i förhållande till vinden. En typisk gondol för ett aktuellt vindkraftverk väger cirka 22 000 pund. Uppvärmning ökar förbrukningen av elektrisk kraft. Vindkraftverk fungerar bäst i öppna områden med lätt böljande mark omgiven av berg. Dessa områden är att föredra eftersom vindkraftverken kan placeras på bergsryggar och inte hindras av träd och byggnader, och bergen koncentrerar luftflödet och skapar en naturlig vindtunnel med starkare och snabbare vindar. Vindkraftverken måste också placeras nära ledningar för att underlätta överföringen av el till det lokala kraftverket.

Förberedelse av platsen

• 1 Överallt där ett vindkraftverk ska byggas skärs vägarna av för att ge plats för transport av delar. Vid varje vindkraftverksplats planeras marken och padområdet jämnas ut. Därefter läggs ett betongfundament i marken, följt av installationen av de underjordiska kablarna. Dessa kablar ansluter vindkraftverken till varandra i serie och ansluter också alla vindkraftverk till fjärrkontrollcentralen, där vindkraftparken övervakas och elen skickas till elbolaget.

Uppförande av tornet

• 2 Även om tornets ståldelar tillverkas utanför anläggningen i en fabrik, monteras de vanligtvis på plats. Delarna bultas ihop före uppförandet och tornet hålls horisontellt fram till placeringen. En kran lyfter tornet på plats, alla bultar dras åt och stabiliteten testas när det är klart.

Gondol

• 3 Gondolen av glasfiber, liksom tornet, tillverkas på plats i en fabrik. Till skillnad från tornet sätts den dock också ihop i fabriken. Dess inre delar – huvudaxeln, växellådan och kontrollerna för bladens stigning och girighet – monteras ihop och monteras sedan på en grundram. Gondolen bultas sedan fast
  

  Nätskåpet för varje vindkraftverk och det elektriska kommunikationssystemet för vindkraftparken installeras samtidigt som gondolen och bladen placeras. Kablar går från nacellen till elboxen och från elboxen till fjärrkontrollcentralen.

  runt utrustningen. På plats lyfts nacellen upp på det färdiga tornet och bultas fast på plats.

Roterande blad

• 4 Aluminiumblad skapas genom att bulta ihop aluminiumplåtar, medan träblad snittas för att bilda en aerodynamisk propeller som i sitt tvärsnitt liknar en flygplansvinge.
• 5 Det överlägset största antalet blad är dock formade av glasfiber. Tillverkningen av glasfiber är en noggrann operation. Först förbereds en form som är i två halvor likt ett musselskal, men som ändå är formad som ett blad. Därefter appliceras en blandning av glasfiber och harts på de inre ytorna av formen, som sedan stängs. Glasfiberblandningen måste sedan torka i flera timmar. Under tiden hjälper en luftfylld blåsa i formen bladet att behålla sin form. När glasfibern har torkat öppnas formen och blåsan avlägsnas. Den slutliga förberedelsen av bladet omfattar rengöring, slipning, försegling av de två halvorna och målning.
• 6 Bladen bultas vanligen fast på gondolen efter att den har placerats på tornet. Eftersom monteringen är lättare att utföra på marken, har ibland ett tredelat blad två blad som bultas fast på nacellen innan den lyfts, och det tredje bladet bultas fast efter det att nacellen är på plats.

Installation av styrsystem

• 7 Nätskåpet för varje vindkraftverk och det elektriska kommunikationssystemet för vindkraftparken installeras samtidigt som nacellen och bladen placeras. Kablar går från nacellen till elboxen och från elboxen till fjärrstyrningscentralen.

Kvalitetskontroll

Till skillnad från de flesta tillverkningsprocesser innebär produktionen av vindkraftverk mycket lite bekymmer med kvalitetskontroll. Eftersom massproduktion av vindkraftverk är ganska ny har inga standarder fastställts. Ansträngningar görs nu på detta område från både regeringens och tillverkarnas sida.

Även om man räknar med att de vindkraftverk som är i drift fungerar 90 procent av tiden, förekommer fortfarande många strukturella brister, särskilt i fråga om bladen. Sprickor uppträder ibland strax efter tillverkningen. Mekaniska fel på grund av justerings- och monteringsfel är vanliga. Elektriska sensorer misslyckas ofta på grund av strömstötar. Icke-hydrauliska bromsar tenderar att vara tillförlitliga, men hydrauliska bromssystem orsakar ofta problem. Planer håller på att utarbetas för att använda befintlig teknik för att lösa dessa svårigheter.

Vindkraftverk har regelbundna underhållsscheman för att minimera fel. Var tredje månad inspekteras de, och var sjätte månad planeras en större underhållskontroll. Detta omfattar vanligtvis smörjning av de rörliga delarna och kontroll av oljenivån i växellådan. Det är också möjligt för en arbetstagare att testa elsystemet på plats och notera eventuella problem med generatorn eller anslutningarna.

Miljöfördelar och nackdelar

Ett vindkraftverk som producerar el från outtömliga vindar skapar inga föroreningar. Som jämförelse producerar kol, olja och naturgas ett till två pund koldioxid (ett utsläpp som bidrar till växthuseffekten och den globala uppvärmningen) per producerad kilowattimme. När vindkraft används för elbehov minskar beroendet av fossila bränslen för detta ändamål. Den nuvarande årliga elproduktionen från vindkraftverk (3,7 miljarder kilowattimmar) motsvarar fyra miljoner fat olja eller en miljon ton kol.

Vindkraftverk är inte helt fria från miljömässiga nackdelar. Många människor anser att de är oestetiska, särskilt när enorma vindkraftverk byggs nära orörda vildmarksområden. Fågeldöd har dokumenterats, och de surrande bladen ger upphov till en hel del buller. Insatser för att minska dessa effekter innebär bland annat att man väljer platser som inte sammanfaller med vildmarksområden eller flyttvägar för fåglar och att man forskar om sätt att minska bullret.

Framtiden

Framtiden kan bara bli bättre för vindkraftverk. Potentialen för vindkraft är till stor del outnyttjad. Förenta staternas energidepartement uppskattar att tio gånger den mängd el som för närvarande produceras kan uppnås fram till 1995. År 2005 är sjuttio gånger den nuvarande produktionen möjlig. Om detta uppnås skulle vindkraftverk stå för 10 procent av USA:s elproduktion.

Forskning bedrivs nu för att öka kunskapen om vindresurser. Detta innebär att man testar fler och fler områden för att undersöka möjligheten att placera vindkraftverk där vinden är pålitlig och stark. Det finns planer på att öka maskinens livslängd från fem år till 20-30 år, förbättra bladens effektivitet, tillhandahålla bättre kontroller, utveckla drivlinor som håller längre och möjliggöra bättre överspänningsskydd och jordning. Förenta staternas energidepartement har nyligen fastställt en tidsplan för att genomföra den senaste forskningen i syfte att bygga vindkraftverk med högre effektivitet än vad som nu är möjligt. (Verkningsgraden för ett idealiskt vindkraftverk är 59,3 procent. Det innebär att 59,3 procent av vindens energi kan fångas upp. Turbiner som används i praktiken har en verkningsgrad på cirka 30 procent). USA:s energidepartement har också ingått avtal med tre företag för att forska om sätt att minska mekaniska fel. Detta projekt inleddes våren 1992 och kommer att sträcka sig fram till slutet av århundradet.

Vindkraftverk kommer att bli allt vanligare under de kommande åren. Världens största tillverkare av vindkraftverk, U.S. Windpower, planerar att utöka sin kapacitet från 420 megawatt (4 200 maskiner) till 800 megawatt (8 000 maskiner) fram till 1995. De planerar att ha 2 000 megawatt (20 000 maskiner) år 2000. Även andra tillverkare av vindkraftverk planerar att öka antalet tillverkade vindkraftverk. Internationella kommittéer bestående av flera industriländer har bildats för att diskutera vindkraftverkens potential. Man försöker också förse utvecklingsländerna med små vindkraftverk liknande dem som Marcellus Jacobs byggde på 1920-talet. Danmark, som redan producerar 70-80 procent av Europas vindkraft, utvecklar planer för att utöka tillverkningen av vindkraftverk. Vid sekelskiftet bör vi få se vindkraftverk som är rätt placerade, effektiva, hållbara och många.