Frågor och svar

På den här sidan har vi samlat några av de vanligaste frågorna om våra produkter. Vi har valt att besvara dom populärvetenskapligt. För vetenskapliga referenser hänvisar vi till fliken Teknik eller ett besök på Uppsala Universitets hemsida.

Hur fungerar en vertikalaxlad vindturbin?

Principen bakom en vertikalaxlad turbin är samma som får ett flygplan att lyfta. Vingarna på turbinen har också en vingprofil som får vingen att vilja "lyfta" men då vingen via bärarmen sitter fast i navet så får kraften turbinen att rotera istället. Vingarna roterar snabbare än vinden, ofta en faktor 2 till 4 ggr snabbare, varför de alltid har skenbara vinden i "nosen". Anfallsvinkel kommer att variera under vinges varv. Det hela kan liknas vid segelbåtar som seglar i en cirkel - då kan man förvissa sig om att de bidrar med ett vridande moment utom när de går rakt mot vind eller rakt med vind, vilket är en mindre del av varvet (ungefär 30° + 30° = 60° av 360°).

Fungerar vertikalaxlade vindkraftverk i praktiken?

Vertikalaxlade vindkraftverk fungerar mycket bra och det har under historien funnits många olika sorter. Ingen har ännu fått det kommersiella genomslag som de horisontalaxlade verken fick i under 1990-talet. Under många år på slutet av 80-talet var världens största vindkraftverk ett vertikalaxlat på 4.2 MW i Canada (se rubriken nedan ”Vad kan man dra för lärdomar från andra Vertikalaxlade vindkraftverk?”). Det finns klara paralleller till utvecklingen av de horisontalaxlade verken: i början fanns många olika koncept med bl.a. allt från enbladiga till flerbladiga verk, nervind- och olika uppvindskoncept innan de dominerande kommersiella varianter med tre blad, växellåda och vridbara torn som vi ser idag slog igenom.

Det finns i princip två olika sorters vertikalaxlade vindkraftverk, antingen luftmotståndsbaserade (även kallade Savonius rotorer) eller lyftkraftsbaserade (även kallade Darrieus-rotorer). Olika modeller av dessa har visat att vertikalaxlade vindkraftverk fungerar bra i praktiken. Utmaningen, som Vertical Wind har löst, är att förutom teknikutveckling även integrera en fungerande affärsmodell som inkluderar generator, styrning, materialval, produktion och försäljning till en helhet.

Har vertikalaxlade vindkraftverk lägre verkningsgrad än horisontalaxlade?

Nej, de har ungefär samma verkningsgrad som ett horisontalaxlat. För att svara mer exakt på frågan behöver man definiera verkningsgrad. Den slutgiltiga verkningsgraden för ett vindkraftverk består av flera olika delar vilka tillsammans utgör det som är intressant för användaren d.v.s. hur mycket el som verket levererar per år. Om man utgår från att vinden på en viss höjd har en viss energimängd och kvalitet (riktning, turbulens, variation), så spelar flera parametrar in som alla tillsammans måste optimeras för att leverera el till elnätet. Till att börja med den svepta ytan, turbinens verkningsgrad (bl.a. beroende på Cp-kurvan och styrsystemets reaktionsförmåga och kalibrering), turbinens förmåga att hantera skiftande vindkvalitet, växellådans verkningsgrad och förluster, generatorns verkningsgrad och förluster, elsystemets verkningsgrad och förluster samt tillgängligheten totalt (hur ofta står verket stilla för oförutsedda stopp eller service och reparationer).

Vid en jämförelse mellan en vertikalaxlad turbin och en propellerturbin med samma diameter konstateras att de numera (efter 20 års utveckling) har ett maximalt Cp (power Coefficient, som speglar hur stor del av rörelseenergin i vinden i dess tvärsnitt som turbinen kan fånga) under ideala förhållanden runt 0.5 (50%) medan dagens vertikalaxlade turbiner har cirka 0.4 (40%).

En vertikalaxlad turbin med samma diameter som en horisontalaxlad turbin (och med samma bladhöjd som diameter) sveper en 4/pi större yta (kvadraten som omskriver cirkeln). Det gör att turbinen kommer att absorbera samma energimängd. Vertical Wind har valt att designa en egen direktdriven generator som är optimerad för denna vindturbin som har en hög verkningsgrad och kan därför leverera mer elkraft till nätet.

Dagens moderna propellerturbiner har ett maximalt Cp runt 0.5 men hade i slutet av 80-talet, när utvecklingen tog fart, runt 0.4 vilket motsvarar vad de vertikalaxlade ligger idag. Viktigt att komma ihåg om man diskuterar Cp är att denna storhet inte är en konstant utan varierar med vindstyrkan beroende på hur man väljer att styra vindkraftverket och dimensionera det. T.ex. för en Enercon E33 på 330kW horisontalaxlad turbin är Cp 0,35 vid 3m/s, 0,5 vid 9 m/s och 0,23vid 14m/s. www.enercon.com

Är den vertikalaxlade turbinen större än propellern?

Diametern för den vertikalaxlade turbinen motsvarar längden av två propellerblad, vilket gör sammanlagda längden för de vertikalaxlade bladen dubbelt så stor. På de vertikalaxlade bladen utnyttjas hela bladet väldigt effektivt eftersom hela bladet rör sig med ”full hastighet”. På en propellerturbin rör sig bladen väldigt långsamt inne i centrum och måste därför vara extra stora. De mekaniska belastningarna för ett propellerblad kräver en mycket stark infästning i navet.

Ett vertikalaxlat blads infästning ger stabilare mekanik då den får stöd på två ställen. Hela den vertikalaxlade turbinen (tre blad och sex bärarmar) blir därför lika lätt eller lättare än motsvarande tre propellerblad. Det vill säga det finns goda förutsättningar att bygga en resurssnål och kostnadseffektiv turbin!

Vad menar Vertical Wind med elektrisk styrning? Varför är det så bra?

Dagens vindkraftverk styrs med mekaniska medel: man vrider bladen i en så kallad pitch-reglering för att inte turbinen ska absorbera för mycket energi vilket kan skada den. Vertical Wind har istället utvecklat en direktdriven generator som kan hantera stora överlaster vilken tillåter elektrisk styrning av turbinen (inom aerodynamiken kallas detta ”passiv stallreglering”). Den elektriska styrningen ger stora vinster vad gäller minskat servicebehov och ökad tillförlitlighet.

Vad händer när det blåser upp?

Vindkraftverket startas vid svaga vindar och når sin märkeffekt vid cirka 11 m/s. Effekten hålls sedan konstant m.h.a. den elektriska styrningen. Turbinen bromsas sedan in och stängs av vid en vindhastighet på 20 till 25 m/s . Det första 200kW verket (som byggs i Falkenberg) är dimensionerat för att klara vindbyar på upp till 60 m/s en så kallad ”klass II” turbin (enligt standarden IEC 61400).

Är vindkraftverket självstartande?

Nej, och det är inte heller önskvärt. Det är endast på mindre vindkraftverk som det kan vara intressant att konstruera en självstartande turbin. För en större turbin gäller det istället att utforma den för optimal operation vid de vanligaste vindhastigheterna. Turbinen startas elektriskt genom att generatorn under en kort stund körs som startmotor och därmed initierar den rotationen som behövs för att lyftkraften från vingprofilen skall börja verka. Man kan jämföra med en vanlig bil med förbränningsmotor där det sedan många år (efter att startveven avskaffades) är en självklarhet med elektrisk startmotor.

Blir det inte problem med den långa axel för stora verk?

Långa axlar är inget nytt, de representerar ett mycket effektivt sätt att överföra effekt. Denna axel roterar långsamt och kan därför utföras i ett lätt och starkt rör (även för större kraftverk). Det finns gott om exempel på långa axlar inom kraftbranschen bland annat finns det vattenkraftverk med axlar på upp till 75 meter. Inom andra branscher t.ex. i skeppsindustrin har sedan förra århundradet större fartyg haft långa propelleraxlar. En roterande axel har en mycket hög verkningsgrad och tillförlitlighet jämfört med andra mekaniska metoder att överföra effekt, som t.ex. ett hydraulsystem.

Vad kan man dra för lärdomar från andra Vertikalaxlade vindkraftverk?

Det byggdes kommersiella vindkraftsparker i USA under 80-talet baserat på Darrieus design (ovan), de flesta av företaget "The FloWind Corp". I stort är erfarenheten från dessa att maskinerna var effektiva och tillförlitliga. Ett problem visade sig vara utmattning i bladen som var byggda i aluminium och var flexibla för att hantera höga centrifugalkrafter vid höga vindar och höga rotationshastigheter. Tyvärr ledde materialvalet och den extra böjligheten till förtida utmattning av vingarna och ett antal haverier. Dessutom var bottennavet placerat i marknivå vilket förvisso gjorde systemet lätt att serva men turbinen kunde inte tillgodogöra sig de högra vindhastigheterna ett högre torn skulle medge.

Arbetet kulminerade i byggandet av ett 4.2 MW verk ”Eole C” in Cap Chat, Quebec som länge var världens största vindkraftverk. Källa: ”Another approach to wind: vertical-axis turbines may avoid the limitations of today's standard...” *länk* [http://www.allbusiness.com/professional-scientific/scientific-research-development/159412-1.html]. Vertical Wind har valt en vertikalaxlad turbin med raka vingar i kompositmaterial för att undvika problem med utmattning i vingar och de transportproblem stora böjda vingar innebär. Denna turbin ger dessutom möjlighet att använda höga torn för att tillgodogöra sig den starkare och jämnare vinden högre upp, som dagens storskaliga turbiner.

Låter vertikalaxlade mindre än vanliga vindkraftverk?

Ja, det kommer de att göra. Det mesta av det aerodynamiska ljudet från en propellerturbin genereras av vingspetsarna som sveper fram med en hög hastighet (över 250 km/h). För ett vertikalaxlat verk går hela vingen med samma hastighet som är betydligt lägre (i storleksordningen 150 km/h) vilket medför att de kan bli i det närmast tysta. Det finns redan idag mindre vertikalaxlade verk på marknaden som i praktiken är helt tysta. Den andra stora källan till ljud från dagens kommersiella kraftverk är växellåda och generator som sitter högst upp på tornet i nacellen. För ett vertikalaxlat kraftverk saknas växellåda och själva generatorn är långsamtgående vilket innebär att även dessa ljud är betydligt lägre om ens hörbara.

Är en vertikalaxlad turbin en "utmattningsmaskin"?

Nej, både horisontalaxlade och vertikalaxlade turbiner utsätts för cykliska lastväxlingar, som kan leda till problem med utmattning av materialet om mekaniken är underdimensionerad. För en horisontalaxlad propeller utgör gravitationskraften på vingarna en cyklisk last (den böjer vingen åt ett håll när den är på väg upp och åt ett annat när den är på väg ned). För en vertikalaxlad turbin ger vinden en cyklisk last medan gravitationen utgör en statisk kraft. Dessa belastningar och andra kan en god konstruktör dimensionera vindkraftverket mot. Se vidare diskussionen under frågan ovan ”Vad kan man dra för lärdomar från andra Vertikalaxlade vindkraftverk?”. Den riktiga utmattningsmaskinen i sammanhanget är växellådan som har orsakat en mängd haverier under hela den kommersiella vindkraftens historia!

Äter en vertikalaxlad turbin energi?

Eller med andra ord: -är turbinen mindre effektiv jämfört med en propeller på grund av bärarmarna?. Frågeställningen hänger ihop med att bärarmarna har luftmotstånd men inte bidrar med vridande moment. Motsvarande frågeställning finns för de inre delen av bladen på en propellerturbin. Tittar man noga på propellern ser man att den inte har en vingprofil längst in utan att bladet där endast fungerar som mekanisk bärarm (i de flesta fall).

Luftmotståndet är proportionellt mot strömningshastigheten i kvadrat (bärarmarnas inre delar rör sig långsammare än de yttre delarna). Hävstången mot axeln gör också att momentet av den bromsande kraften minskar mot centrum (effektförlusten är proportionell mot moment och rotationshastighet). Därför inverkar bara luftmotståndet för den yttersta delen av bärarmarna (ungefär motsvarande den yttersta fjärdedelen). Det totala luftmotståndet, för alla bärarmar tillsammans, bli inte mer än det för en enda vinge vilket är en mycket liten effektförlust jämfört med den effekt som genereras. I praktiken utgör bärarmarnas luftmotstånd endast en mindre del av förlusterna för en vertikalaxlad turbin, jämförbara med förlusten i en växellåda.

Har inte allt detta redan gjorts? Vad är nytt?

Den vertikalaxlade tekniken som Vertical Wind jobbar med kan för lekmannen se ut att påminna om tidigare försök (om man fokuserar på turbinen). Vertical Winds teknik är mycket enklare och robustare än allt som tidigare byggts. Vindkraftverket har bara en rörlig del: den vertikala axeln på vars övre ände en mycket enkel och robust turbin är monterad (utan rörliga delar) och på vars undre ände en permanentmagnetiserad rotor sitter. Rotorn är den rörliga delen av generatorn. Generator är i sin tur specifikt utvecklad för att kunna hantera turbinen i alla väder. Styrningen sker helt elektriskt vilket ger låga förluster och minimalt med slitage. (se ovan ”Vad menar Vertical Wind med elektrisk styrning? Varför är det så bra?” ).

Vad talar för att Vertical Wind kommer att lyckas?

Helheten! Det vindkraftsystem som Vertical Winds teknik baseras på (Vertical Winds system) har under flera år provats och simulerats vid först Uppsala Universitet där resultaten är publicerade i ett flertal vetenskapliga tidskrifter. Kompetens inom en rad olika områden har kombinerats: Universitetets kunskap inom simulering av generatorer, strömningsmekanik, hållfasthetsberäkningar; kunskaper inom elsystem, modern produktionsteknik och material bl.a. hämtad från båt och segelflygplansbyggande där hållfasthet, lätthet och tillförlitlighet under hårda miljöförhållanden är viktigt. Vertical Wind har utvecklat och optimerat vingar, bärarmar, torn, axel, generator och styrsystem för att forma en helhet som förutom god verkningsgrad och hög tillförlitlighet även skall vara möjlig att tillverka, transportera och montera på ett resurssnålt och kostnadseffektivt sätt.