Nytt och trendigt inom vindkraften Omvärldsbevakning 2010 Elforsk rapport 10:49 Staffan Engström augusti 2010 Nytt och trendigt inom vindkraften Omvärldsbevakning 2010 Elforsk rapport 10:49 Staffan Engström augusti 2010 Förord Forskningsprogrammet Vindforsk III är ett samfinansierat program för grundläggande och tillämpad vindkraftsforskning. Energimyndigheten finansierar 50 procent av programmets kostnader. Energiföretag och andra industriföretag med anknytning till vindkraft finansierar den andra hälften. Programmets finansiärer är: ABB, Arise windpower, AQ System, E.ON Elnät, E.ON Vind Sverige, EnergiNorge, Falkenberg Energi, Fortum, Fred. Olsen Renewables, Gothia vind, Göteborg Energi, HS Kraft, Jämtkraft, Karlstads Energi, Luleå Energi, Mälarenergi, o2 Vindkompaniet, Rabbalshede Kraft, Skellefteå Kraft, Statkraft, Stena Renewable, Svenska Kraftnät, Tekniska Verken i Linköping, Triventus, Wallenstam, Varberg Energi, Vattenfall Vindkraft, Vestas Northern Europe, Öresundskraft samt Energimyndigheten. Programmet syftar till att stärka vindkraftens förutsättningar genom att: • ta fram generaliserbara resultat kring vindkraftens egenskaper och möjligheter • forskningen som bedrivs ska ske på den internationella framkanten inom ett antal teknikområden • bevara och stärka kompetensen i befintliga universitet, högskolor samt teknikkonsulter • stärka rekryteringsbasen till svensk vindkraftindustri • •synliggöra vindkraftforskningen och sprida dess resultat forskargrupper vid Programmet är uppdelat i följande verksamhetsområden: • Vindresursen och etablering • Kostnadseffektiv vindkraftanläggning och projektering • Optimal drift och underhåll • Vindkraft i kraftsystemet • Omvärldsbevakning och standardisering Denna rapport utgör en del av omvärldsbevakningen och sammanfattar aktuella tekniska nyheter och trender inom vindkraftsområdet, med tonvikt på det som är relevant ur ett svenskt perspektiv. Rapporten är skriven av Staffan Engström på Ägir konsult AB. Stockholm augusti 2010 Anders Björck Programledare Vindforsk-III El- och värmeproduktion, Elforsk Sammanfattning Rapporten sammanfattar aktuella tekniska nyheter och trender inom vindkraftsområdet, med tonvikt på det som är relevant ur ett svenskt perspektiv. Tidigare har det varit Europa som lett utvecklingen av vindkraften, som en följd av ett energipolitiskt motiverat intresse att öka andelen förnybar energi. Nytt för 2009 är att det är i Kina som den största marknaden för vindkraftverk finns. Där drivs utvecklingen primärt av behovet av att öka tillgången på elenergi, även om det finns en politiskt motiverad komponent. USA-marknaden är nästan lika stor som den europeiska. Förskjutningen av marknadens tyngdpunkt har även gett utslag i fördelningen på leverantörer. Flera av de traditionellt stora europeiska vindkraftstillverkarna förefaller ha stagnerat i sin tillväxt. Den stora ökningen har i stället skett hos kinesiska leverantörer, där det idag finns tre företag bland de tio största i världen. Det innebär att Kina nu också är det största tillverkarlandet för vindkraftverk. Förskjutningen av marknad och tillverkning gör att även det tekniska initiativet påverkas. Ett påtagligt utslag är ett genombrott för direktdrivna generatorer, dessutom med en modernare teknik med permanentmagneter än den som tidigare varit i stort sett ensam på marknaden. För västvärlden kan det bli bekymmersamt att detta förenas med ett kinesiskt monopol på de sällsynta jordartsmetaller som ingår i magneterna, vilka även används i elbilar. Fenomenet med att tillväxtekonomier tar över det tekniska och kommersiella initiativet i starkt växande branscher tycks vara en del i en trend som omfattar allt från hjärtoperationer enligt löpande band-principen till trafikflygplan. Vindkraften svarade 2009 för 1,6 procent av världens elproduktion (1,9 procent i Sverige). Tio år senare uppskattas den nå drygt 8 procent och därmed snart vara av samma storleksordning som vattenkraft och kärnkraft (16 respektive 14 procent 2008). Den havsbaserade vindkraften svarar för en liten del, för 2014 beräknas andelen till 3 procent av vindkraften globalt. Kostnaderna är för höga för det nuvarande svenska ersättningssystemet med en kombination av ordinarie elpris och elcertifikat. Å andra sidan är förutsättningarna för att bygga vindkraftverk i skog och i viss utsträckning i fjällterräng goda. I stora delar av Sverige behöver vindkraftverken avisning av vingarna, men leverantörerna uppfattar i allmänhet denna marknad som alltför begränsad för att vilja utveckla avisningssystem. Trebladiga, horisontalaxlade vindturbiner är praktiskt taget allenarådande på marknaden. Ett nytt intresse för vertikalaxlade vindturbiner har uppkommit bland annat i Sverige. I början av 2010 restes ett 200 kW vertikalaxlat vindkraftverk i Falkenberg. Generellt är data för det nya svenska verket normala för ett vertikalaxlat verk. Den största fördelen är sannolikt enkelheten, med i princip endast en rörlig del. En stor del av den bärande konstruktionen utgörs av limträ, som är känt för att vara kostnadseffektivt och tåligt mot utmattning. Den dominerande tekniken för att tillverka torn för vindkraftverk har länge varit svetsade stålrörstorn. För att utnyttja materialet på bästa sätt bör de vara koniska. Vid omkring 100 meters höjd uppnår man 4,5 meters bottendiameter för ett vindkraftverk i MW-storlek, vilket sätter gränsen för vägtransporter. Alternativa tekniker är att foga samman plåtarna i tornen helt med skruvförband, torn av förspänd betong, hybrider av stål och betong, fackverkstorn samt även torn av trä. Utvecklingen av vindkraftverkens elsystem drivs till stor del av de ökande kraven på reglerbarhet och tålighet mot störningar, som följer av vindkraftens allt större andel av elproduktionen. Detta har lett till en utveckling mot användning av synkrona generatorer, antingen högvarviga i kombination med en kuggväxel, eller direktdrivna. I båda fallen kombineras de med en elektrisk omriktare, som dimensioneras för kraftverkets hela effekt. De allt större generatorerna motiverar i sig en övergång till högre spänning än de 690 V som länge varit gängse, men omriktare för mellanspänning är än så länge dyrare än lågspända omriktare. En vinst kan göras genom att man slipper placera en transformator i maskinhuset, alternativt kan undvika en grov och dyr lågspänningskabel genom tornet. I ett 10 MW havsbaserat vindkraftverk, som utvecklas av AMSC Windtec, magnetiseras den direktdrivna generatorn med supraledande rotorlindningar, vilket ska leda till en lättare generator. Supraledande statorlindningar kan vara nästa steg. Individuell bladvinkelreglering är en teknik som håller på att införas för att minska utmattningslasterna. Lyckade försök har gjorts att mäta vinden framför turbinen med en medroterande lidar, som utnyttjar laserljus. En ytterligare möjlighet för att minska lasterna på vindkraftverken är att individuellt reglera turbinbladens bakkanter. Relativt sett allt billigare turbinblad leder till att optimeringen av verken förändras, med generellt allt större turbiner för en viss generatoreffekt. För användaren leder det till att utnyttjningstiderna blir allt större. I ett exempel från en tillverkare ökar utnyttjningstiden på en plats med måttliga vindförhållanden från omkring 2 000 timmar för en tio år gammal konstruktion till närmare 3 500 timmar för ett nytt verk. Detta bör även leda till att det blir lättare att hantera en viss energiutbyggnad med vindkraft i elnätet, eftersom regler- och överföringsbehovet blir mindre. Växande vindkraftverk leder även till problem att klara transporten på land, särskilt av turbinbladen. Att införa skarvar på turbinbladen är ett sätt att minska transportlängden. För att undvika en fördyrande komposit-kompositskarv har en tillverkare börjat tillverka innerdelen av turbinbladen med en bärande stålstruktur. Det ökar visserligen vikten, men leder sannolikt till en sänkt totalkostnad. Tidigare har det alltid varit regel att vindkraftverken fått underordna sig kraven från redan etablerade intressen. I ett principiellt intressant fall upphandlar det brittiska försvaret ett radarsystem med kravet att det ska kunna övervaka luftrummet över Nordsjön trots närmare ett tusental havsbaserade vindkraftverk. ELFORSK Summary This report summarizes recent news and trends in wind power technology, with emphasis on facts relevant from a Swedish perspective. Earlier Europe has been leader in the development of wind power. This has mainly been due to an interest to increase the share of renewables based on energy policy requirements. During 2009 China emerged as the largest wind power market. In China the development primarily is driven by the need to increase the energy supply, although there is also a politically justified component. The US market is almost as large as the European. The market shift also has influenced the supplier's market shares. Several of the traditionally large European wind turbine manufacturers seem to have stagnated. Instead Chinese manufacturers have increased their shares and exhibit today three out of the ten largest manufacturers of the world. This implies that China now is the largest manufacturer of wind turbines. The shift of market and manufacturing also influences the technological initiative. Remarkable evidence is the breakthrough for direct drive generators, in addition with permanent magnets, a technology that is more up to date than the one hitherto dominating the market. For the West it may be problematic that this is combined with a Chinese monopoly on the rare earth metals that are part of the magnets, also used in electric cars. The phenomena that emerging economies take the technological and commercial initiative in strongly growing areas seems to be part of a trend that involves anything from a production line for heart surgery to commercial aircraft. During 2009 wind power covered 1,9 per cent of the worlds electricity production (1,6 per cent in Sweden). Ten years later it is estimated to have reached 8 per cent and thus be of the same order of magnitude as hydro and nuclear (16 and 14 per cent 2008). Offshore wind only covers a small part, for 2014 the share is estimated at 3 per cent globally. The cost is too high for the current Swedish system with a combination of the ordinary price of electricity and green certificates. On the other hand there are good conditions for building wind turbines in forests and to a certain extent in mountainous areas. In large areas in Sweden there is a need for deicing of the blades, but the manufacturers generally apprehend this market as being too limited to justify the development of deicing systems. Three bladed, horizontal axis wind turbines are today almost universally prevailing on the market. A new interest for vertical axis wind turbines has emerged in e.g. Sweden. During the beginning of 2010 a 200 kW vertical axis wind turbine was erected in Falkenberg. In general the data for the new Swedish wind turbine are normal for vertical axis machines. The greatest advantage is probably the simplicity, with in principle only one moving structure. A major part of the load-carrying construction is made from gluelam, which is known to be cost-effective and resistant towards fatigue. Welded steel tube towers have been the dominating technology for producing towers for wind turbines for a long time. In order to utilize the material in the best possible way, they preferably are made conical. For a MW-size wind turbine a base diameter of 4,5 meters is reached at a hub height of around ELFORSK 100 meters. This also is limit for road transportation. Alternative tower technologies are to assemble the steel plates with screw joints only, towers made of pretensioned concrete, steel-concrete hybrids, lattice towers and also wooden towers. The development of the electrical systems of the wind turbines to a large extent is driven by the increased demand for regulation and ability to withstand disturbances that are a consequence of the increasing share of wind power in the electricity production. A consequence has been the trend towards using synchronous generators, either high-speed in combination with a gearbox, or directly driven. In both cases they are combined with an electrical converter, which is dimensioned for the total power of the power plant. The increasing size of the generators per se justifies a transition to higher voltages than the so far prevailing 690 V. However, medium voltage converters are so far more expensive than the ones for low voltage. A premium is to get rid of the transformer in the nacelle, alternatively to avoid a heavy and expensive low voltage cable through the tower. In a 10 MW offshore wind turbine, developed by AMSC Windtec, the direct drive generator is magnetized by super conducting rotor windings, which are assumed to reduce the weight of the generator. Super conducting stator windings may be the next step. Individual blade pitch control is a technology being introduced in order to reduce the fatigue loads. Attempts to use a co-rotating laser based lidar for measuring the wind speed in front of the turbine have been successful. A further possibility for reducing the loads is individual control of the trailing edges of the turbine blades. With time, the turbine blades have tended to become less costly compared to the rest of the design. This leads to changes in the optimization of the wind turbines, with larger turbine diameters for a certain level of generator power. For the user this results in increasing utilization times (yearly production/generator power). In an example from one manufacturer, the utilization time for a medium wind speed site increased from around 2 000 hours for a ten year old design to almost 3 500 hours for a new design. This also should result in less problems to handle a certain amount of wind energy production, since the need for regulation and transmission of power is reduced. Larger wind turbines also create problems to handle land transportation, especially of the turbine blades. The introduction of joints is one way to reduce the lengths to be transported. In order to avoid expensive compositecomposite-joints one manufacturer has started to manufacture the inner part with a load-carrying steel structure. This will increase weight, but most likely will decrease the total cost. Earlier the general rule has been to let the already established interests rule over the wind turbines. In a case of principal interest the British defence authorities purchases a radar system with a requirement that it shall be able to survey the airspace above the North Sea in the presence of almost a thousand offshore wind turbines. ELFORSK Innehåll 1 Marknaden och dess inverkan på teknikutvecklingen 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.4 1.5 2 Torn 3 Elsystem 2.1 2.2 2.3 1 Fördelning på länder ........................................................................ 1 Fördelning på leverantörer ................................................................ 2 Vart går det tekniska initiativet? 3 Kinesiskt magnetmonopol 3 Vindkraftverk med avisning............................................................... 4 Havsbaserade vindkraftverk .............................................................. 4 Vilken roll får vindkraften i världen? ................................................... 5 6 Svetsade stålrörstorn ....................................................................... 6 Alternativa torntyper........................................................................ 6 Lyftmetoder .................................................................................... 8 9 3.1 Krav från elnätet ............................................................................. 9 3.2 Synkrongeneratorer ......................................................................... 9 3.2.1 Snabbgående 9 3.2.2 Direktdrivna 9 3.2.3 Supraledning 10 3.3 Omriktare .................................................................................... 10 3.3.1 Spänning 10 4 Kontrollsystem 5 Systemutformning 6 Vertikalaxlade vindturbiner 17 7 Omgivningspåverkan 22 4.1 4.2 4.3 5.1 5.2 5.3 7.1 11 Mätning av vind framför turbinen ..................................................... 11 Individuell bladvinkelreglering ......................................................... 11 Reglering av bladbakkant ............................................................... 11 13 Optimering av turbindiameter efter generatoreffekt ............................ 13 Antal steg i kuggväxel .................................................................... 14 Utformning för landtransport ........................................................... 14 Radar som tål vindkraftverk ............................................................ 22 8 ELFORSK 1 Marknaden och dess inverkan på teknikutvecklingen1 1.1 Fördelning på länder Under framväxten av vindkraften är det Europa som i huvudsak har lett utvecklingen, som en följd av ett energipolitiskt motiverat intresse att öka andelen förnybar energi. Fortfarande är det här som den största installerade vindkraftseffekten finns, 76 553 MW i slutet av 2009 (motsvarande 146 TWh i årsproduktion2), mot totalt 160 084 MW i världen (332 TWh). Emellertid har marknaderna för nyinstallationerna av vindkraftverk i världen under de senaste åren förändrats snabbt. Medan installationstakten i Europa under treårsperioden 2007-2009 ökade med i sammanhanget makliga 14 procent per år, var tillväxten i Kina hela 104 procent på årsbasis, se Fig. 1. Också i USA växte marknaden snabbt, med 37 procent per år. Detta medförde att den kinesiska marknaden nu är den största och att den amerikanska är nästan lika stor som den europeiska. 45000 40000 35000 MW 30000 2007 2008 2009 25000 20000 15000 10000 5000 0 Sverige Europa USA Kina Världen Figur 1. Effekt för vindkraftverk installerade i Sverige, Europa, USA, Kina och världen under åren 2007 – 2009. Grunddata från BTM Consult. I Kina drivs utvecklingen primärt av behovet av att öka tillgången på elenergi, även om det även finns en politiskt motiverad komponent. 1 Statistikuppgifterna i detta avsnitt hämtas huvudsakligen från World Market Update 2009 och 2008, från BTM Consult ApS, Danmark. 2 Räknar med motsvarande 2 073 fullasttimmar per år, vilket utgör världsgenomsnittet. 1 ELFORSK I Sverige var ökningen ungefär lika omfattande som i världen i övrigt, med över 50 procent per år, vilket dock innebär att den svenska marknaden fortfarande bara svarar för drygt en procent av världsmarknaden. 1.2 Fördelning på leverantörer Dessa drastiska förändringar av marknaderna avspeglar sig inte oväntat även i ändringar på leverantörssidan. De traditionellt stora leverantörerna Vestas, Enercon, Gamesa och Suzlon förefaller ha stagnerat i installerad vindkrafteffekt, medan GE Wind, Siemens och numera Suzlon-ägda REpower fortsätter att öka, se Fig. 2. För fem år sedan hade Vestas en marknadsandel på över 30 procent, och är nu nere på 12 procent. På tio i topp-listan har den stora expansionen i stället tagits över av tre kinesiska företag, Sinovel, Goldwind och Dongfang, vilka tillsammans har 23 procent av världsmarknaden. Det innebär att Kina också är det land som tillverkar det mesta av vindkraften. På topp-listan finns i övrigt två danska, två tyska, ett amerikanskt, ett spanskt och ett indiskt företag. De kinesiska företagen kan vara värda en närmare presentation. Sinovel tillverkar ett 1,5 MW verk i takten 2000 exemplar per år och har även startat serieproduktion av en 3 MW anläggning. Senaste tillskottet är ett 5 MW verk, som kommer att sättas upp både på land och till havs. Goldwinds främsta produkt ett 1,5 MW direktdrivet verk utvecklat av den numera helägda tyska tillverkaren Vensys, som även licensierar tillverkning till de svenska Mattsonföretagen i Uddevalla. Nästa produkt är ett direktdrivet 2,5 MW verk och därefter kommer en 5 MW-modell. 8000 7000 2007 6000 2008 MW 5000 2009 4000 3000 2000 1000 el ov Si n En er ,P R C co n, G ol G dw E in d, PR G C am es D a, on ES gf an g, PR Su C zl on ,I Si N em D en s, R D Ep K ow er ,G E S ,U in d W G E Ve st a s, D K 0 Figur 2. Installationerna av vindkraftverk från 2009 års tio största vindkraftstillverkare i världen, med uppgifter även för 2007 och 2008. Grunddata från BTM Consult 2 ELFORSK Dongfang började med att licenstillverka REpowers 1,5 MW verk och inledde serietillverkning av ett egenutvecklat 2,5 MW verk under 2009. Nu utvecklas ett 5 MW verk för havsmarknaden tillsammans med AMSC Windtec, Österrike, vilket ägs av American Superconductor. En annan påtaglig skillnad på leverantörssidan är att andelen ”Övriga” ökat starkt och nu ligger på 18 procent. I denna kategori återfinns inte minst kinesiska företag. En slutsats är att talet om konsolidering av branschen är för tidigt väckt. Vad som nu pågår är i stället en tilltagande fragmentisering, där en förklaring är framväxten av nya marknader. I Västerlandet må det finnas ett ideal med frihandel, men detta omfattas inte av hela världen - i alla fall inte när det gäller det egna landet. 1.2.1 Vart går det tekniska initiativet? Den gängse modellen för nya vindkraftstillverkare utanför Europa och USA har varit att börja med att på olika sätt få tillgång till europeisk teknologi: köpa licenser, köpa europeiska företag, sätta upp egna utvecklingsavdelningar i Europa. Detta kan ge intrycket av att de kommer att förbli beroende, inte kan bli några allvarliga konkurrenter. Emellertid visar de senaste årens marknadsutveckling att västerlandet kan vara på väg att tappa både den marknadsmässiga dominansen och det utvecklingsmässiga initiativet. Ett exempel är direktdrivna vindkraftverk, där tyska Enercon under snart 20 år varit i praktiken ensam aktör. Nu är det ett flera kinesiska tillverkare som gett sig in på området, och detta med en teknik som i vissa avseenden är överlägsen Enercons. På ett sätt som omvärlden haft svårt att förstå har Enercon byggt generatorer med ålderdomliga tekniska lösningar, som elektrisk magnetisering och därtill med den extremt låga spänningen 400 V även för megawattstora anläggningar. Kineserna har tagit in – europeisk – teknik med permanentmagneter och högre spänning. Även andra europeiska tillverkare börjar nu reagera, men kineserna ligger före. Tidskriften Economist diskuterade nyligen fenomenet att utvecklingsländer lyckas driva löpande band-principer och storskaligt företagande inom så olika branscher som hjärtoperationer, ståltillverkning och produktion av trafikflygplan.3 Förklaringen tycks vara nya modeller för företagande, analogt med hur japanerna tog över bilindustrin på 1980-talet genom ”lean production” och ”just in time”. Man måste vara innovativ i en värld där det alltid finns en vietnames eller kambodjan som kan göra jobbet för ännu lägre lön, och där respekten för immateriella rättigheter är så liten att det man tillverkar idag kommer att kopieras av andra inom några månader. 1.2.2 Kinesiskt magnetmonopol I exemplet med direktdrivna generatorer använder den nya tekniken neodymmagneter innehållande den sällsynta jordartsmetallen med samma namn. Mängden magneter är stora, ungefär ett ton per megawatt effekt, och halten neodym är drygt 25 procent. Samma typ av permanentmagneter används i motorerna till elbilar och många andra tillämpningar. Som en följd av en 3 The world turned upside down. A special report on innovation in emerging markets. The Economist. April 17th 2010. 3 ELFORSK uttalad kinesisk statlig strategi, och som en följd av västvärldens brist på en sådan, kontrollerar nu Kina 95 procent av produktionen av sällsynta jordartsmetaller, från kinesiska gruvor och gruvor i andra delar av världen.4 Avsikten är utnyttja tillgången för kinesisk industri och begränsa andra länders möjligheter, genom att kontrollera exporten. Detta exempel visar att ett innovativt företagande även kan stödja sig på en stark statsmakt, som agerar målmedvetet. – ”Bara” hälften av jordens tillgångar av sällsynta jordartsmetaller finns på kinesisk jord, och de är inte fullt så sällsynta som namnet gör gällande. Neodym är i själva verket vanligare i jordskorpan än både koppar och nickel. Ofta utvinns det ur mineralet bastnäsit, uppkallat efter Bastnäs i trakten av Grängesberg. Men att öppna nya gruvor tar tid, och ett kinesiskt monopol kan därför få stora konsekvenser, även om det med tiden bli övergående. Förutom i Kina finns det idag gruvor i Afrika. Ytterligare fyndigheter finns i Sydamerika. Att öppna en ny gruva tar storleksordningen 2-3 år.5 1.3 Vindkraftverk med avisning I stora delar av Sverige och övriga Norden utsätts turbinbladen för nedisning och behöver vara utrustade med avisningsutrustning om man inte ska riskera månadslånga stillestånd. Detta problem accentueras med de allt större och högre verken, som under en större del av året kommer att sticka upp i de låga moln som vid temperaturer under noll grader ger isbildning. Större delen av världens vindkraftverk är emellertid inte utsatta för ispåslag, vilket gör att det i flertalet fall är svårt att få turbinleverantörerna att engagera sig i problemet. Ett undantag är Skelleftekrafts projekt Uljabuouda där turbinleverantören Winwind utrustar verken med elektrisk bladuppvärmning som är en vidare utveckling av det tidigare finska KAT-systemet.6 Enercon har ett system med uppvärmning av luften inuti bladen, vilket ger en begränsad kapacitet. Behovet av avisning bör skiljas från begreppet ”vindkraftverk i kallt klimat”, vilket inte behöver vara förknippat med isbildning. De renodlade kallt klimatproblemen är förhållandevis enkla att lösa, i princip genom val av rätt stålkvaliteter samt viss uppvärmning. 1.4 Havsbaserade vindkraftverk Under en period framstod havsbaserade vindkraftverk i åtminstone den svenska debatten som den allenarådande lösningen för att få substantiella energibidrag från vindkraften. Sedan dess har man insett att havsbaserade vindkraftverk inte bara är dyrare än vindkraftverk på land, utan mycket dyrare. BTM Consult anger i år kostnaden för havsbaserade vindkraftsutbyggnader till 3 000 euro per kW medan den landbaserade klarar sig med 1 300. Visserligen får man ut fler fullasttimmar till havs, men även 4 Eize de Vries. Rare-earth materials: China’s high tech trump cards? Renewable Energy World. March-April 2010. Volume 13, number 2. 5 Mikael Dahlgren, ABB Corporate Research. Telefonsamtal 16 augusti 2010. 6 Pasi Valasjärvi. Project Uljabuouda, experiences from first artic multi megawatt project using ice prevention system for blade heating. EWEC 2010, 20-23 April 2010, Warzawa, Poland. 4 ELFORSK underhållet är betydligt dyrare. Till havs behöver man under dessa förutsättningar få ungefär en krona per kilowattimme, medan det för den landbaserade räcker med hälften. Det står därmed klart att det inte är möjligt att finansiera havsbaserad vindkraft under de ekonomiska betingelser som ges av svenska elpriser och elcertifikat. Å andra sidan är möjligheterna för att lokalisera vindkraftverk i skog och i viss utsträckning i fjällterräng betydligt gynnsammare än man tidigare trodde. För många andra europeiska länder är dock den reella potentialen på land högst begränsad, och där är den havsbaserade vindkraften en nödvändighet. Liknande förhållanden gäller även i andra delar av världen. I slutet av 2009 fanns det 2 110 MW havsbaserad vindkraft i världen, eller 1,3 procent av den totala utbyggnaden. Fram till 2014 prognoseras en utbyggnad till 15 600 MW, eller 3 procent. Den havsbaserade marknaden uppskattas inte något år överstiga 6 procent av utbyggnaden det året. Prognosen inbegriper 880 MW ytterligare utbyggnad i Sverige, vilket under nuvarande förutsättningar är osannolikt. 1.5 Vilken roll får vindkraften i världen? I sammanhanget kan det vara intressant att studera vilken roll vindkraften får i världens energiförsörjning. Under 2009 var dess andel av producerad el 1,6 procent, i Sverige 1,9 procent. För 2014 ger BTM Consult en prognos om 4,0 procent och för 2019 en ”uppskattning” om 8,4 procent. Som jämförelse svarade vattenkraften år 2008 för 15,6 procent (1998 18,1 procent) och kärnkraften 13,6 procent (1998 17,6 procent).7 Den relativa minskningen av dessa kraftslags betydelse beror i första hand på att den stora tillväxten av elkonsumtionen i första hand täcks av fossilbaserad kraft. Under de senaste åren har dessutom kärnkraften minskat med ett par procentenheter i nominella tal. Men på något decenniums sikt ser alltså vindkraften ut få en produktion av samma storleksordning som vattenkraft och kärnkraft. 7 BP Statistical review of world energy 2009 5 ELFORSK 2 Torn Vinden bromsas kraftigt över skog, och det innebär omvänt att den tilltar ordentligt med ökande höjd över träden. Vindkraftverk i skogsterräng, som blivit vanligt i Sverige och även i Tyskland, motiverar därför att tornen byggs högre än som varit vanligt tidigare, då tumregeln varit att använda torn med samma höjd som det nominella måttet för turbindiametern. 2.1 Svetsade stålrörstorn Den dominerande tekniken är stålrörstorn, vilka sätts samman av cylindrar tillverkade av rundbockade, hopsvetsade plåtar. Flera sådana cylindrar bildar tillsammans en tornsektion, som avslutas med en påsvetsad fläns i vardera änden. Sektionerna fästs till varandra med skruvförband och i botten till tornfundamentet, i toppen till maskinhuset. Plåten ytbehandlas och tornen inreds med lejdare, kabelsteger etc. Materialet utnyttjas bäst om tornen görs koniska, med den största diametern närmast marken. Högre höjd medför en större bottendiameter. Även med dispens går det dock inte att transportera tornsektioner med större diameter än omkring 4,5 meter på vanliga vägar. Lokala förhållanden kan göra gränsen ännu snävare. Om man av transportskäl tvingas begränsa diametern under den optimala, så blir materialåtgången och därmed kostnaden större. Gränsen går vid omkring 100 meters tornhöjd. 2.2 Alternativa torntyper Ett sätt att komma runt problemet med den begränsade diametern är att helt sätta samman tornet med skruvförband. Då tillkommer kostnaden för dessa, men flänsarna bortfaller. De utmattningsbegränsande svetsarna försvinner också, och man kan använda bättre plåtkvaliteter. Denna utveckling har precis kommit igång. Svensk forskning bedrivs vid Luleå tekniska universitet. 8 Förspända betongtorn har länge varit en alternativ teknik. Till en början alltid glidformsgjutna, på senare år oftare sammansatta av betongelement tillverkade i fabrik, vilket gör det lättare att få kontrollerade förhållanden. Tekniskt fungerar bägge alternativen på samma sätt, eftersom det är förspänningen som ger dragstyrkan. Hybridtorn, som består av en nederdel av betong och en överdel av stålrör, är en av de tekniker som tillgripits för att komma åt problemen med transporten av konventionella ståltorn. Mycket höga torn, med upp till 150 meters höjd, utförs i Tyskland ofta som fackverkstorn, vilka till utseendet liknar kraftledningsstolpar. En svårighet i 8 Veljkovic, Milan. V-223 Höghållfasta torn. Vindforsks programkonferens 14-15 maj 2008. 6 ELFORSK vårt klimat är risken för nedisning, som tidvis kan förhindra tillträdet till maskinhuset. På senare tid har torn även byggts av trä, vilket i relation till styrkan är ett ekonomiskt konstruktionsmaterial. Det trätorn som visas i Fig. 3 har tillkommit i samarbete med Martinsons Byggsystem, Bygdsiljum. Figur 3. Ett trätorn byggt av Timber Tower, Tyskland9 för ett Vensys 1,5 MW verk. Till vänster lyfts en träpanel på plats, till höger det färdiga tornet. De ekonomiska förutsättningarna för olika torntyper studeras i ett pågående Vindforsk-projekt.10 9 www.timbertower.de V-342, Höga torn för vindkraftverk. Ägir konsult. Rapport planerad i september 2010. 10 7 ELFORSK 2.3 Lyftmetoder Traditionellt sätts torn och maskineri till vindkraftverk på plats med hjälp av en mobilkran. De allt större turbinerna och högre tornen medför behov av de största kranar som finns på marknaden. Nackdelar med dessa är höga etableringskostnader, restriktioner för vindstyrka vid lyft (5-8 m/s) och att de allra största kranarna av band-typ kräver hela 12,5 m bredd på vägen mellan de olika turbinplatserna. För lyft över 150 meter kan man behöva använda lyfttorn, vilket är en teknik som tidigare använts i Sverige för Maglarp och Näsudden II och i Norge av Scanwind. Nackdelar med denna teknik är att den är personalkrävande och tar längre tid än med mobilkran. Kostnaden är idag betydligt högre än med mobilkran. 8 ELFORSK 3 Elsystem 3.1 Krav från elnätet När vindkraftens andel av elproduktionen blir allt större måste även vindkraftverken medverka till elnätets stabilitet vid störningar. Svenska Kraftnäts aktuella föreskrifter innehåller krav på olika nivåer beroende på om vindkraftinstallationen överstiger 1,5, 25 eller 100 MW.11 På kontinenten gäller likartade och generellt strängare regler. På Bornholm, som blivit ett försöksområde för att pröva möjligheterna att driva elnät med en mycket stor andel vindkraft, görs försök att klara frekvensreglering med vindkraft. Det innebär att man temporärt måste kunna öka effekten på vindkraftverken, vilket kan ske genom elektrisk bromsning eller genom att i grundläget köra verket på en något reducerad effekt. Dessa krav är svåra och i vissa fall omöjliga att uppfylla med dagens vanliga generatorteknik, dubbelmatade, släpringade asynkrongeneratorer (DFIG). 3.2 Synkrongeneratorer 3.2.1 Snabbgående I generatorer med DFIG-teknik är det endast rotorströmmen som omriktas. Detta gör att omriktaren endast behöver dimensioneras för cirka 30 procent av generatorns fulla effekt. Om man i stället använder en synkrongenerator måste all effekt gå genom omriktaren, som därför blir motsvarande större. Till följd av marknadsutvecklingen är omriktare emellertid numera inte så dyra som tidigare. Med denna lösning ökar möjligheterna att klara stränga störningskrav från elnätsägare och systemansvariga, och vindkraftverken kan till och med stötta nätet. Andra fördelar är att man slipper underhållet av släpringar och att permanentmagnetiserade generatorer tack vare sin kompakta uppbyggnad är förhållandevis billiga. Dessutom har de hög verkningsgrad, särskilt vid dellast, vilket är särskilt betydelsefullt vid vindkraftstillämpningar. Flertalet stora leverantörer använder denna teknik i sina senaste modeller. Exempel är GE, Gamesa, Siemens och Vestas. 3.2.2 Direktdrivna Man kan idag tala om ett genombrott för direktdrivna generatorer för vindkraftverk, där Enercon som tidigare nämnts under många år varit ensam aktör av någon betydelse. Av de tio största leverantörerna arbetar numera hälften med tillverkning eller utveckling av direktdrivna verk. GE har införlivat Scanwind, med uppgift att ta fram en kommersiell direktdriven anläggning för havsbasering. Goldwind i Kina producerar turbiner utvecklade av det idag helägda tyska Vensys. Siemens har tagit fram en kommersiell 3 MW11 Affärsverket svenska kraftnäts föreskrifter och allmänna råd om driftsäkerhetsteknisk utformning av produktionsanläggningar. SvKFS 2005:2. 9 ELFORSK anläggning med en ytterrotor-generator, som i vindkraftssammanhang först demonstrerades i den svenska NewGen-generatorn. Denna väntar fortfarande på en storskalig tillämpning, sedan det tidigare projektet tillsammans med Scanwind sprack. Även Vestas uppges utveckla ett direktdrivet verk. 3.2.3 Supraledning AMSC Windtec, Österrike, som ägs av American Superconductor, utvecklar ett havsbaserat vindkraftverk med en 10 MW direktdriven generator, där rotorn magnetiseras med supraledande lindningar.12 Fördelar anges vara att man kan uppnå en högre magnetisk flödestäthet än med konventionell elektrisk magnetisering. Därmed kan luftgapet göras större och kraven på den mekaniska strukturens styvhet därmed minskas, eftersom större deformationer kan accepteras. Man slipper också kostnaden för permanentmagneter, som annars är det gängse valet idag. Verkningsgraden anges till 96 procent före omriktaren, vilket snarast är lågt. Förmodligen är det bättre om man kan få supraledning i statorlindningen. Det kan vara nästa steg. 3.3 Omriktare 3.3.1 Spänning Traditionellt används 690 V omriktare i vindkraftverk, trots att omriktare med högre spänning funnits inom industrin i 30 år. Vid några megawatts effekt är det annars naturligt att utföra generatorn för högre spänning. Idag har Areva Multibrid en omriktare för mellanspänning (3,3 kV) i sitt 5 MW verk, vilket också gäller för det kommande verket från holländska Darwind, numera ägt av kinesiska XEMC. Fördelar med högre spänning är att man slipper placera en transformator i maskinhuset, vilken ju innebär en viss risk. Alternativt undviker man den grova och dyrbara kabeln i tornet, som annars behövs vid lägre spänning. Med mellanspänning får man en kompaktare och lättare omriktare, men en genomgång13 visar att kostnaden fortfarande är 25 procent högre än för lågspänning. Mellanspänningsutrustningen är också känsligare för fukt och kräver avjoniserat kylvatten. Verkningsgraden ligger på samma nivå för bägge, 97,5 procent. 12 Anton Wolf, AMSC Windtec. Design of the Seatitan wind turbine with HTS generator. EWEC2010, 20-23 April 2010, Warzawa, Poland. 13 Anders Troedson, The Switch, USA. Comparison of low voltage and medium voltage wind turbine drive trains. EWEC2010, 20-23 April 2010, Warzawa, Poland. 10 ELFORSK 4 Kontrollsystem 4.1 Mätning av vind framför turbinen Att kunna mäta vindhastigheten framför turbinen är en gammal dröm, som prövades redan på Maglarpsverket 1987.14 Då användes en sodar, vilken mäter vindhastigheten genom att skicka ut ljudpulser, som reflekteras mot strukturer i vinden. Störningsnivån blev dock så hög att några användbara resultat inte nåddes inom det begränsade experimentet. I ett nutida försök användes i stället en lidar (laserbaserad), som monterats medroterande i turbinens nav.15 Utrustningen fungerade med god tillförlitlighet under ett flera månader långt försök 2009. Mätningarna kan användas för reglerändamål och bör då kunna minska lasterna jämfört med dagens metoder, som innebär att reglersystemet får reagera på det som vinden redan ställt till med (effekt, krafter, moment e.d.). Resultaten kan även användas för girstyrning av verket och för att mäta vind-effektsambandet på ett mer precist sätt än med dagens mätmaster. 4.2 Individuell bladvinkelreglering Sedan gammalt tillämpas kollektiv bladvinkelreglering, vilket innebär att alla bladen får samma vinkel. Genom att överlagra en individuell reglering av bladvinkeln kan man enligt teorin minska utmattningslasterna med omkring 30 procent. Denna teknik tillämpas numera av större vindturbinleverantörer som GE, Enercon och Vestas, vilka emellertid är förtegna om teknikens möjligheter och problem. Inom det stora, EU-stödda Upwind-projektet studeras individuell bladvinkelreglering genom praktiska försök på medelstora (42 m turbindiameter) vindturbiner vid den amerikanska forskningsstationen NREL, som tillhandahåller försöksresultat utan kommersiella begränsningar.16 Resultaten bekräftar så här långt att man kan uppnå den önskade reduktionen. Försök genomförs på både två- och trebladiga turbiner. Tvåbladiga verk har på nytt blivit aktuella för mycket stora havsbaserade verk, där den individuella bladvinkelregleringen kan ersätta den dyra och ibland problematiska gungleden som annars används på dessa. 4.3 Reglering av bladbakkant Enligt beräkningar kan man minska utmattningslasterna på vindturbiner med 50 procent om man kan reglera bladets bakkant. Regleringen förutsätts vara både individuell för respektive blad och dessutom med olika utslag för olika 14 Sodarförsök. Erfarenheter från vindkraftverken vid Maglarp och Näsudden. Statens energiverk. 1990:R4. 15 T. Mikkelsen et al. Risö DTU, Lidar wind speed measurements from a rotating spinner. EWEC2010, 20-23 April 2010, Warzawa, Poland. 16 E. Bossanyi, Garrad Hassan & Partners. Progress with field testing of individual pitch control. EWEC2010, 20-23 April 2010, Warzawa, Poland. 11 ELFORSK Figur 4. Reglerbar bladbakkant enligt Risö DTU. Genom att släppa på tryckluft i den övre raden med håligheter får man profilen att enligt nedre bilden böja sig nedåt. avsnitt av bladets längd. I ett nu provat utförande utförs bakkanten av gummi med kanaler, som kan tillföras tryckluft och därigenom få bakkanten till en bladprofil med 1 m korda att böja sig uppåt eller nedåt 12 mm, se Fig. 4.17 Vindtunnelförsök har visat att man få en ändring av lyftkraftskoefficienten Cl med 0,2, vilket räcker för att ge den önskade inverkan på regleringen. Responstiden anges till 0,1 sekund. Tidigare har försök gjorts med en bakkant av piezoelektriskt material, som böjer sig åt endera hållet när den utsätts för en elektrisk spänning. Olika möjligheter finns för att styra regleringen av bladbakkanten, exempelvis genom att utnyttja signalen från en lidar enligt det tidigare beskrivna försöket. 17 Helge Aagaard Madsen et al, Risö DTU. The potentials of a controllable rubber trailing edge flap (CRTEF). EWEC2010, 20-23 April 2010, Warzawa, Poland. 12 ELFORSK 5 Systemutformning 5.1 Optimering av turbindiameter efter generatoreffekt I vindkraftens absoluta barndom ansågs turbinbladen behöva bli mycket dyra, vilket berodde både på det dåtida engagemanget av flygindustri och på att bladen var den enda helt nya komponenten. Efterhand som en specialiserad industri vuxit upp och lärt sig en alltmer kostnadseffektiv produktion har bladkostnadens andel successivt sjunkit. Detta har även lett till att den mest ekonomiska turbindiametern för en viss effekt har ökat, och att därmed den specifika effekten, mätt som watt per kvadratmeter diskyta, har minskat. Förutom att ekonomin blir bättre leder detta även till att utnyttjningstiderna ökar. Detta bör medföra att det blir lättare att integrera vindkraftverk i elsystemet, eftersom regler- och överföringsbehovet för en viss mängd producerad vindenergi blir mindre. Som exempel kan man jämföra Vestas vindturbin V90-3 MW från början av 2000-talet med de sentida V100 och V112 från samma tillverkare. Vind/effekt-kurvorna för de olika verken får ett utseende enligt Fig. 5, som visar att dessa uppnår sin maximala effekt vid olika vindhastigheter. Kurvorna har normerats efter effekten i förhållande till den av turbinen svepta ytan. Detta påverkar i sin tur produktion och utnyttjningstid enligt Tabell 1. Som synes ökar utnyttjningstiden med mer än 50 procent för det mest extrema av de sentida verken. Detta visar de tendenser som gäller idag, även om man i rättvisans namn också bör påpeka att V90 dimensionerats för IEC klass I (men i Sverige ställts upp i sämre vindlägen) medan de nyare verken är utförda för klass II och III. För V112 är vind/effekt-kurvan uppskattad, vilket kan påverka resultatet med någon procent. 500 V90 472 W/m2 450 400 Effekt W/m2 350 V112 305 W/m2 300 250 V100 229 W/m2 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 Vindhastighet m/s Figur 5. Principiellt utseende på vind/effekt-kurvan för några vindkraftverk. 13 25 ELFORSK Tabell 1. Produktion och utnyttjningstid för några olika vindkraftverk vid en medelvind på navhöjd om 6,5 m/s och Weibull formfaktor 2,0. Modell Turbindiameter, Effekt, kW m Produktion, MWh/år Utnyttjningstid, h/år V90 90 3000 6165 2055 V100 100 1800 6275 3486 V112 112 3000 8761 2920 5.2 Antal steg i kuggväxel I vindkraftverk försedda med kuggväxel brukar utväxlingsförhållandet i denna traditionellt väljas så att generatorns varvtal ligger vid omkring 1 500 r/min, vilket är det synkrona varvtalet för en fyrpolig elmaskin. Med ett turbinvarvtal om 15 r/min innebär det ett utväxlingsförhållande om ca 100. För detta krävs normalt två planetväxelsteg och ett sista rakt steg, för att göra den sista justeringen av varvtalet. För en del år sedan lanserades tekniklösningen ”Multibrid”, som innebär att kuggväxeln förses med endast ett växelsteg och att generatorn får ett motsvarande lägre varvtal.18 Enligt förslaget skulle lösningen bli lättare och mer tillförlitlig. Ett av de företag som anammade tekniken var finska Winwind, som använde den i sitt första vindkraftverk, med effekten 1 MW. När företaget några år senare utvecklade ett 3 MW-verk valde man emellertid en växel med två växelsteg och en permanentmagnetiserad generator med ett nominellt varvtal om ca 420 r/min. Liknande lösningar väljs i flera andra nya vindkraftverk, exempelvis Gamesas 4,5 MW verk. Det enda ytterligare större verk, som använder den renodlade Multibrid-lösningen, är Areva Multibrids 5 MW verk. Med en enkel analys kan man visa att vikten och därmed kostnaden för ett växelsteg är proportionell mot momentet på lågvarvssidan. För en generator är vikt och kostnad på motsvarande sätt proportionella mot momentet. Därför minskar växelkostnaden föga om man tar bort ett växelsteg, medan däremot generatorkostnaden ökar kraftigt för motsvarande minskning av varvtalet. Detta bör förklara varför lösningen med enstegsväxlar inte slår igenom. Tvåstegsväxlarna kan motiveras med att man slipper komplikationen med det avslutande raka steget samt att permanentmagnetiserade generatorer i sig är kompaktare än tidigare använda asynkrona generatorer. 5.3 Utformning för landtransport Växande vindkraftverk leder till ökande problem att klara landtransporter. I Sverige gäller begränsningar för dispenstransporter enligt Tabell 2. På kontinenten kan det vara ännu snävare. Exempelvis uppges maskinhuset till 18 S. Sigfriedsen et al. Multibrid technology – a significant step to multi-megawatt wind turbines. 1999 European Wind Energy Conference. 1-5 March 1999, Nice, France, pp 277-280. 14 ELFORSK Tabell 2. Begränsningar för vägtransporter i Sverige (med dispens).19 Längd 50 - 55 m Bredd 5,0 – 5,5 m Höjd 4,5 m Vikt 150 ton Siemens senaste direktdrivna 3 MW verk ha fått dimensioneras efter höjden i vägtunneln under Elbe, 4,26 m. Den komponent, som i första hand ger problem, är turbinbladen. Genom att vända bladspetsen framåt, stickande över taket på lastbilshytten, kan man enligt tabellen maximalt transportera 55 m långa blad i Sverige. Det innebär omkring 112 m turbindiameter, alltså som det ovan nämnda Vestas-verket V112. I bergstrakter kan transporter omöjliggöras långt tidigare, exempelvis vid 35 m bladlängd. För att kunna öka diametern ytterligare är den mest närliggande möjligheten att införa en skarv på kompositbladet. Denna lösning tillämpas av Gamesa för Figur 6. Montage av den yttre bladdelen på en Enercon E-126. Delning vid 35% radie. Fullständig bladvinkelreglering. 19 Håkan Gunnarsson, Vägverket, vid seminarium hos Svensk Vindenergi, 2 December 2008. 15 ELFORSK dess 4,5 MW verk G 10X, som har 128 m turbindiameter och därmed för närvarande är störst i världen. Även GE arbetar på en sådan lösning.20 Nackdelar är att skarvar i kompositmaterial är svåra att utföra, ger ökad vikt och enligt en uppgift 10 procent ökad bladkostnad. För sin E-126, som höjt effekten till 6 MW, införde Enercon för några år sedan en mer radikal ändring, vilken innebär att ytterdelen även i fortsättningen tillverkas av kompositmaterial medan innerdelen utförs med en bärande balk av stål med yttre formdelar av aluminium, se Fig. 6. Man får räkna med att detta utförande ökar totalvikten, men det bör ändå vara ekonomiskt. Det är generellt billigare att ta stora moment i stål än i glasfiber. En stålkonstruktion av denna typ kan utföras för omkring 25 kr/kg medan motsvarande av glasfiber kostar fem till tio gånger mer, men kan inte belastas i proportion till detta. Dessutom slipper man skarven komposit-komposit. 20 Shu Ching Quek et al, GE Global Research. GE’s next generation jointed blade for large scale wind turbines. EWEC2010, 20-23 April 2010, Warzawa, Poland. 16 ELFORSK 6 Vertikalaxlade vindturbiner Kommersiellt är vindkraftverk baserade på trebladiga horisontalaxlade vindturbiner idag i praktiken allenarådande. Ett nytt intresse för vertikalaxlade vindturbiner har dock uppkommit bland annat i Sverige, varför det finns anledning att studera denna turbintyp. Vertikalaxlade vindturbiner ägnades ett omfattande utvecklingsarbete från slutet av 1970-talet till början av 1990-talet. Det började med att ett par kanadensiska forskare återuppfann Darrieus-turbinen, som patenterats redan 1925 i Frankrike. Den kanadensiska utvecklingen kulminerade med bygget av ett 100 meter högt tvåbladigt verk med en generator på 4 MW. I USA genomfördes både ett omfattande forskningsprogram och en kommersiell utveckling. Vertikalaxelforskningen intensifierades med motiveringen att de Figur 7. Vertikalaxlat 500 kW vindkraftverk från Vertical Axis Wind Turbines Ltd, Storbritannien, 1990. 17 ELFORSK Figur 8. Vertikalaxlat 200 kW vindkraftverk från Vertical Wind AB. horisontalaxlade turbinerna redan var färdigutvecklade (!). Den kommersiella delen resulterade i över 500 verk med upp till 250 kW effekt plus enstaka större. Den senaste mer omfattande insatsen för att utveckla vertikalaxlade vindturbiner avslutades i början 1990-talet i Storbritannien där en turbin med raka blad utvecklats i flera maskingenerationer. Slutet blev ett i sammanhanget irrelevant lagerhaveri. Då gick det dock inte längre att finansiera utvecklingen av den aktuella typen, VAWT 850, se Fig. 7. Med en grund i forskning vid Ångströmslaboratoriet vid Uppsala Universitet21 har avknoppningen Vertical Wind AB utvecklat ett 200 kW vertikalaxlat (VA) 21 Sandra Eriksson, Hans Bernhoff and Mats Leijon. Evaluation of different turbine concepts for wind power. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 12, Issue 5, June 2006, pages 1419-1434. 18 ELFORSK vindkraftverk, som inledningsvis sätts upp i fyra exemplar vid Falkenberg, Fig. 8. Data för anläggningen återges i Tabell 3 tillsammans med uppgifter om ett brittiskt vertikalaxlat verk och ett horisontalaxlat (HA) verk i ungefär samma storleksklass. Det svenska verket är från i år, medan de bägge jämförelseverken är från 1990-91. Vertikalaxlade verk har med framgång endast kunnat byggas stallreglerade, dvs att man vid ökande vindstyrka tvingar fram en aerodynamisk överstegring av bladen. Det förutsätter att man kan hindra turbinen från att öka varvtalet, vilket i sin tur kräver att generatorn kan alstra ett tillräckligt bromsande moment. Detta är inget principiellt problem, utan en dimensioneringsfråga. Inledningsvis gjordes även flertalet horisontalaxlade vindturbiner stallreglerade, men här finns bladvinkelreglering som ett alternativ, vilket vid ökande storlek lönar sig och även är reglermässigt fördelaktigt. Den brittiska turbinen är tvåbladig medan de övriga är trebladiga. För att uppnå likvärdiga förhållanden får därför den tvåbladiga förses med bredare blad. Den av turbinen projicerade, svepta ytan är den yta som definierar hur mycket energi som kan göras tillgänglig för turbinen. Förhållandet mellan bladyta och svept yta kallas turbinens soliditet och är ett viktigt Tabell 3. Jämförelse mellan vertikalaxlade och horisontalaxlade vindkraftverk Typ Vertikalaxlad Vertikalaxlad Horisontalaxlad 22 23 Modell VW200 VAWT 850 V3924 Vertical Wind Vertical Axis Wind Tillverkare AB Turbines Ltd Vestas AS År 2010 1990 1991 Effekt, kW 200 500 500 Tornhöjd, m 40 30 41 Reglering stall stall bladvinkel Varvtal, nominellt, r/min 33 20,4 30 Moment, kNm 87 234 159 Antal blad 3 2 3 Turbindiameter, m 26 35 39 Bladlängd, m 24 24,3 19 Svept yta, m2 624 851 1195 Bladkorda, m 0,45-0,9 1,75 0,6-1,6 Bladyta, m2 58,5 85,1 54 Soliditet, % 9,4 10,0 4,5 Bladhastighet, m/s 45 37 61 Cp max 0,4 0,39 0,45 vid vindhastighet, m/s 8 8 8 Optimalt löptal 4,2 4,7 7,7 22 Hans Bernhoff, Vertical Wind, E-post 2010-04-26 I. D. Mays et al, VAWT Ltd. Experience with the VAWT 850 demonstration project. European Community Wind Energy Conference. 10-14 September 1990, Madrid, Spain. 24 Sören Markkilde Petersen. Vindmölleafprövning Vestas V39. Måling af effektkurve. Risö-I-754(DA). Forskningscenter Risö, Roskilde. Februar 1994. 23 19 ELFORSK karaktäristiskt tal för en vindturbin, eftersom det grovt sett bestämmer kostnaden för verkets bärande struktur, från bladen till fundamentet i marken. Vindkraftverk dimensioneras i allmänhet av stormparkeringsfallet, och lasterna som strukturen då utsätts för är proportionella mot bladytan. I tabellen noterar man att VA-turbinerna har ungefär dubbelt så stor soliditet som en HA-turbin. Det betyder att VA-tekniken här har en kostnadsmässig belastning. Turbinens blad(spets)hastighet är ett karaktäristiskt värde för både VA- och HA-turbiner. I tabellen noterar man att det för en HA-turbin ligger omkring 50 procent högre än för VA-turbinen. Det drivande moment, som kuggväxeln, alternativt den direktdrivna generatorn utsätts för, är i sin tur omvänt proportionellt mot bladhastigheten. Allt annat lika är kostnaden för dessa komponenter proportionell mot momentet. Även detta innebär en kostnadsmässig belastning för VA-tekniken. Den kombinerade aerodynamiska och elektriska verkningsgraden, Cp max, ligger vid omkring 40 procent för både det svenska och det brittiska vertikalaxelverket. För HA-verket ligger den något högre, och är för dagens större och mer utvecklade anläggningar ytterligare högre. Det bör finnas utrymme för att höja även VA-verkens verkningsgrad, även om stallregleringen innebär en begränsning. Generellt är data för det nya svenska verket normala för ett vertikalaxlat verk. Det enda anmärkningsvärda är att det nominella varvtalet, och därmed bladhastigheten, ligger något högt i förhållande till det uppgivna löptalet. Det nya svenska verket utmärker sig i övrigt genom att det är försett med en permanentmagnetiserad, kabellindad direktdriven generator, som har placerats på marknivå.25 De bägge övriga har kuggväxel plus högvarvig generator i maskinhuset på torntoppen. Lösningen med direktdrift av en markplacerad generator har tidigare använts på det kanadensiska 4 MW VAverket, som dock hade bågformade blad. Anläggningen är även försedd med en mekanisk broms, som är ett krav för certifiering enligt den internationella standarden – två av varandra oberoende bromssystem krävs. Eftersom generatorn är direktdriven måste bromsen ta det fulla momentet, vilket gör den dyr. På bladvinkelreglerade HA-verk slipper man detta, eftersom de separata servona för de olika bladen accepteras som oberoende bromssystem. En annan skillnad är att en stor del av den bärande strukturen gjorts av limträ, vilket är ett material som är känt för att vara både kostnadseffektivt och tåligt mot utmattning. Den största fördelen med verket är sannolikt enkelheten, med i princip endast en rörlig del, förutom komponenterna i bromsen. I en jämförelse mellan HAoch VA-turbiner kan man exempelvis notera att VA-turbinerna slipper HAturbinernas girsystem, som ska rikta in dem i vindriktningen. Dessa svarar för några procent av anläggningskostnaden och en möjligen större andel av underhållet. VA-turbinernas blad är inte heller utsatta för HA-turbinernas 25 Sandra Eriksson. A 225 kW direct driven PM generator for a vertical axis wind turbine. EWEC2010, 20-23 April 2010, Warzawa, Poland. 20 ELFORSK utmattning av egenvikt – med en horisontell axel växlar ju tyngdkraften på bladen riktning för varje turbinvarv. Denna har hittills kunnat bemästras genom lämpligt materialval. Å andra sidan utsätts VA-turbinernas blad för utmattningslaster när de passerar genom den störda luftströmningen på baksidan av turbinvarvet, men om detta i realiteten påverkar dimensioneringen är inte självklart. Den lägre bladhastigheten innebär att ljudalstringen från en vertikalaxlad turbin i genomsnitt bör vara betydligt lägre än för en horisontalaxlad. Det just nämnda bladpassagen på baksidan kan dock medföra ett helikopterliknande impulsljud – ”chop-chop”. Några forskare anser att sannolikheten för att vertikalaxlade turbiner ska avge sådant ”coherent low-frequency noise” är högre än för dagens teknik med horisontalaxlade turbiner på tornets vindsida, men lägre än för läplacerade HA-turbiner.26 Den senare tekniken övergavs huvudsakligen på grund av ljudproblemen. Det stora åttiotalsverket vid Maglarp var byggt enligt denna princip och kunde ge ljudstörningar inomhus på flera kilometers avstånd. 26 Harvey H. Hubbard and Kevin P. Shepherd, NASA Langley Research Center. Wind Turbine Acoustics, in David Spera (ed.), Wind Turbine Technology, ASME Press. 1994. P. 328. 21 ELFORSK 7 7.1 Omgivningspåverkan Radar som tål vindkraftverk Radar, som används för övervakning av luft och vatten för civila och militära ändamål, påverkas av många faktorer, som väder, terräng och byggnader. Även vindkraftverk kan inverka på radarbilden. Den största ”radarmålytan” orsakas av tornet, medan de roterande bladen särskilt påverkar dopplerradar, vilken särskiljer rörliga föremål från stationära. F.n. finansierar Energimyndigheten ett projekt för att undersöka hur vindkraftverk i realiteten påverkar de väderradarstationer som finns i Sverige för att kartlägga utbredning av nederbördsområden mm. Hittills har vindkraftverk inte tillåtits inom 5 km från dessa. Radaroperatörernas utgångspunkt har under många år varit att vindkraftens utbyggnad ska underordnas deras behov, vilket kan vara naturligt från deras perspektiv, även om detta leder till ett dåligt totalt resursutnyttjande för hela samhället. Därför får det ses som ett viktigt trendbrott när det brittiska försvarsdepartementet beställt ett nytt radarsystem för luftrumsövervakning med stor räckvidd, med det särskilda villkoret att det ska klara miljön med upp till 924 havsbaserad vindkraftverk i Nordsjön utmed Englands östra kust.27 Det gäller de fem vindfarmerna Sheringham Shoal, Race Bank, Dudgeon, Triton Knoll och Docking Shoal. Total effekt är 5 500 MW. Radarsystemet av typ TPS-77 levereras av amerikanska Lockheed Martin i november 2011. För att minska vindkraftens störning av dopplerradar undersöks möjligheterna att beklä turbinbladen med ett radarabsorberande material (radar absorbing material, RAM).28 Problem uppkommer genom att detta material kan påverka hållfasthet och åskledare om det omfattar hela bladet, medan å andra sidan partiell beklädnad bara ger en liten förbättring. 27 Lockheed Martin gets offshore wind radar contract, OTEC grant. Renewable Energy World, www.renewableenergyworld.com, April 2010. 28 Laith Rashid, University of Manchester. The application of radar absorbing material (RAM) on wind turbine blades. EWEC2010, 20-23 April 2010, Warzawa, Poland. 22 ELFORSK 23 ELFORSK 24