Projekt – Vind/Vattenkraftverk MÅL INNEHÅLL UTFÖRANDE - Identifiera och analysera tekniska lösningar utifrån ändamålsenlighet och funktion - Identifiera problem och behov som kan lösas med teknik och utarbeta förslag till lösningar - Använda teknikområdets begrepp och uttrycksformer - Värdera konsekvenser av olika teknikval för individ, samhälle och miljö - Analysera drivkrafter bakom teknikutveckling och hur tekniken har förändrats över tid Bygga en kraftverksmodell, skriva en rapport Se projekbeskrivningen

Planering – åk 9 Projektintroduktion Lektion 21/4 Mellanliggande lektioner (5 st) Lektion 16/5 Lektion 23/5 Projektintroduktion Planera, faktainsamling, skiss, bygga, skriva Inlämning av rapporten (max 3 sidor) Inlämning av fungerande/utprovad modell

Energibegrepp Vind- & Vattenkraft ENERGI: Potential att medföra rörelse Energiprincipen; kan omvandlas, men inte produceras eller förintas EFFEKT: Energi per tidsenhet Exempel på energiformer: Lägesenergi (homogent tyngdskraftfält); en potentiell energi, lagrad energi. W=mgh där m=massa, g=tyngdacceleration, h=höjd Rörelseenergi; kallas även för kinetisk energi. W=mv²/2 där m=massa, v=hastighet

Vindkraftens historia Det byggdes väderkvarnar i Japan och Kina för över 3000 år sedan I Europa byggdes väderkvarnar med början 1100-talets slut och användes som energikällor fram till slutet av 1800-talet Första elproducerande ’vindmöllan’ (i Danmark) kom på 1890-talet Anslutning till elnätet (i Danmark) utfördes på 1950-talet På 1970-talet börjar vindkraftsforskning i Sverige och 1983 tas de första större i drift. På 1990 finns ca 50 vindkraftverk med en effekt >50kW 2016 producerades ca 10% (16TWh) av totalen med vindkraft och det finns ca 3500 verk

FÖRDELAR/NACKDELAR Fördelar (ex) Nästan utsläppsfri Förnybar Nackdelar (ex) Förändrar landskapet Buller

Vindkraftverkets byggstenar

Maskinhus Omvandlar flöde till mekanisk arbete Växelådan varvar upp navets 15 - 30 varv/m till ca 1500 varv/m. Omvandlar flöde till mekanisk arbete

Generatorn Omvandlar rörelseenergi till elenergi Huvudsakliga komponenter Rotor Stator Induktion (Faradays lag) Energi hos fältet i spole E=1/2*L*I*I, där L= induktans, I=ström (jfr ½ mv2 = rörelseenergi) Induktans: Förhållandet mellan magnetiskt flöde och ström (strömmen i en krets orsakar ett magnetiskt flöde – se transformatorn). L=ɸ/I, där L har enheten Henry (H) eller Wb/A Induktion innebär att en elektrisk ström alstras (induceras) i en elektrisk ledare, om denna rör sig genom ett magnetfält eller om ett omgivande magnetfält ändras. Detta fenomen nyttjas i exempelvis, mikrofoner och i elektriska generatorer. En vanlig konstruktion av en generator är en spole som roterar i ett magnetfält. Induktionslagen, för rak ledare som rör sig vinkelrätt mot fältet: e=l⋅v⋅B(*N), där e=elektromotorisk spänning, l=ledarens längd, B=magnetiska flödestätheten (Tesla), Spolens antal varv (även om samma tråd) Magnetiskt flöde (Weber) ϕ=B⋅A (jfr ’vindflödet/massflödet’ rör sig mot svepytan, här istället magnetflödet mot en yta) A= arean för ett området vinkelrätt mot fältet.

Transformatorn Omvandlar genom elektromagnetisk induktion elektrisk energi mellan olika spänning/ström nivåer Den vanligaste typen av transformator kan anses bestå av tre delar; primärlindning, sekundärlindning och kärna. En växelström genom primärlindningen ger upphov till ett tidsvarierande magnetiskt fält i kärnan. Kärnan överför det magnetiska fältet till sekundärlindningen i vilken det induceras en spänning Energi hos fältet i spole E=1/2*L*I*I, där L= induktans, I=ström Induktans: Förhållandet mellan magnetiskt flöde och ström (strömmen i en krets orsakar ett magnetiskt flöde). L=ɸ/I, där L har enheten Henry (H) eller Wb/A Induktion innebär att en elektrisk ström alstras (induceras) i en elektrisk ledare, om denna rör sig genom ett magnetfält eller om ett omgivande magnetfält ändras. Detta fenomen nyttjas i exempelvis, mikrofoner och i elektriska generatorer. En vanlig konstruktion av en generator är en spole som roterar i ett magnetfält. Induktionslagen, för rak ledare som rör sig vinkelrätt mot fältet: e=l⋅v⋅B(*N), där e=elektromotorisk spänning, l=ledarens längd, B=magnetiska flödestätheten (Tesla), Spolens antal varv (även om samma tråd) Magnetiskt flöde (Weber) ϕ=B⋅A A= arean för ett området vinkelrätt mot fältet. Egen kom ihåg: i tranformatorn förändras magnetfödet mha en växelström, medan i generatorn ändras det via mekaniskt arbete.

Teknisk utveckling

VINDENERGI h m/s

VINDENERGI Vinden effekt= P = ½ Av³ A = svepyta, V= vindhastighet Full effekt 12-15 m/s Stoppläge ca 25 m/s (stora krafter) Betz lag max utvinna 59,3% Vanligaste verkningsgrad/effektuttag 25-40% Varför blåser det? Vinden får sin energi från solen. Jorden och dess atmosfär värms upp av solens strålar. Denna uppvärmning är emellertid ojämnt fördelad, störst vid ekvatorn och minst vid polerna. Den varierar dessutom med årstiderna, över dygnet och beroende på molnigheten. Skillnaderna i temperatur gör att lufttrycket skiljer sig mellan olika platser. Det bildas hög- och lågtryck och luften vill röra sig från det högre till det lägre trycket för att jämna ut tryckskillnaderna. Som en följd av jordens rotation och corioliseffekten rör sig inte luften direkt från det höga trycket till det låga, utan istället mer parallellt med linjerna för lika lufttryck, isobarerna. Så länge solen strålar in energi till jorden kommer temperaturskillnader uppstå och ge upphov till vindar, vinden är därför en flödande förnybar energikälla. Omvandling av vindenergi till rörelseenergi Energin i vinden kan omvandlas till mekanisk energi, vilket sker i exempelvis väderkvarnar där energin används för att driva runt kvarnstenarna. I ett vindkraftverk driver vinden runt vindkraftverkets rotor som i sin tur driver runt en elektrisk generator där rörelseenergin omvandlas till elektrisk energi. Rotorbladen bromsar upp vinden varpå en del av dess energi överförs till huvudaxeln och sedan till generatorn. Ett vindkraftverk är verksamt över hela den yta som sveps av rotorbladen, kallad svepytan. Vindkraftverket påverkar vinden genom att börja bromsa upp luftflödet långt framför själva vindkraftverket och uppbromsningen fortsätter även bakom vindkraftverket. I förhållande till äldre flerbladiga konstruktioner är det moderna trebladiga horisontalaxlade vindkraftverket materialsnålt vilket är ekonomiskt fördelaktigt. En annan fördel med de trebladiga vindkraftverken är att man undviker höga belastningar på konstruktionen vid starka vindar. När det blåser upp till storm stoppas vindkraftverket och rotorbladen vrids ur vinden så den yta som då exponeras mot vinden blir relativt liten. Vindens energiinnehåll Eftersom effekten i ett vindkraftverk är proportionell mot den svepta ytan, är det lämpligt att studera energiinnehållet i den vind som passerar genom ytan en kvadratmeter på en sekund. Tänk ett fönster utan glas. När det blåser 1 m/s så passerar 1 m3 luft genom fönstret varje sekund, d.v.s. drygt ett kg luft per sekund. Vid 5 m/s passerar 5 m3/s, osv, se faktaruta om vindens effekt. För närvarande tillverkas vindkraftverk med upp till ca 130 meter i rotordiameter. Det innebär en svepyta som omfattar över 13 000 m2, eller mer än ett hektar. När ett sådant vindkraftverk uppnår sin fulla effekt vid ca 12 m/s passeras den av nära 200 ton luft i sekunden. De största vindkraftverk som nu är under utveckling, har en rotordiametern på ca 170 meter och en svept yta på drygt 20 000 m2, vilket ger ett massflöde vid 12 m/s på ca 330 ton luft per sekund! Betz´s Limit Ett vindkraftverk är ett friströmsverk. Eftersom den står i ett fritt strömmande medium, vinden, kan luften ta alternativa vägar förbi verket. Detta i motsats till vattenturbinen och ångturbinen som arbetar med ett medium inneslutet i ett rör. Redan 1927 visade tysken Albert Betz att den största effekten i ett horisontalaxlat vindkraftverk uppnås då vindens hastighet bromsas till en tredjedel av den ursprungliga. Det innebär att det teoretiskt är möjligt att utvinna maximalt ca 59,3% av energin i vinden, kallat Betz’ limit, se figur 1. Verkningsgrader för omvandlingen från vindenergi till el på strax över 50 % har uppmätts i existerande vindkraftverk. Men då belastningarna ökar oproportionerligt mycket vid höga verkningsgrader är det vanligt med ett effektuttag på mellan 25 till 40 % av vindenergin i kommersiella vindkraftverk. Ett vindkraftverk optimeras i regel inte efter så hög verkningsgrad som möjligt utan efter att producera så billig energi som möjligt. För att inte överbelasta ett vindkraftverk så begränsas effektuttaget till en viss nivå. Detta kan du läsa mer om i Faktablad 4, Så fungerar ett vindkraftverk. I figur 1 ses totala effekten i vinden, effekten som maximalt kan utvinnas enligt Betz’ limit samt effekten som ett typiskt vindkraftverk genererar. Vindens effekt Effekt är energi per tidsenhet. Effekten i vinden uttryckt i watt (W) kan beräknas med följande formel: P=½ mf*v2 (W) (1) (alltså härledas från rörelseenegi W=1/2 *m*v2) där: mf = luftens massflöde (kg/s) m2 = luftens densitet, normalvärde 1,225 kg/m3 vid havsytan och temperaturen 15°C Massflödet är den massa som passerar en area A per tidsenhet och kan uttryckas som: Mf = Avp (kg/s) (2) där: A = turbinens svepta area (m2) V = vindens hastighet (m/s) p = luftens densitet (kg/m3). Normalvärde 1,225 kg/m3 vid havsytan och temperaturen 15°C Genom att kombinera ekvation (1) och (2) fås ekvationen för effekten i vinden som: P = ½ Av3 (W) (3) Vindens effekt är alltså proportionell mot vindens hastighet upphöjd till tre. När vindhastigheten för dubblas ökar därmed effekten åtta gånger. Detta förklarar varför det är så viktigt att placera vindkraftverk där det blåser bra. Figur 1. Effekten i vinden, röda kurvan, bestäms av ekvation (3), se faktarutan på nästa sida. Av denna effekt kan maximalt ca 59,3% utvinnas, grön kurva. Ett vindkraftverk måste förses med en effektbegränsning som gör att effektupptaget inte ökar över en viss nivå. Blå kurva beskriver ett vindkraftverks effektuttag och kurvan planar ut då effektbegränsningen träder in.

Vattenkraftens historia Första vattenkraftverken fanns i Kina – mer än 2000 år sedan På 1200-talet byggdes de första vattenkraftsanläggningarna i Norden På 1800-talet ersattes tidigare skovelhjul med turbin/generator – elenergi Första vattendrivna generatorn i Sverige kom 1882 Elproduktion Sverige 2016 Producerades ca 40% (61TWh) av totala elproduktionen med vattenkraft Det finns ca 2000 verk i Sverige med en sammanlagd effekt på 16TW Ca 200 av vattenkraftverken >10MW, varav 50 > 100MW

FÖRDELAR/NACKDELAR Fördelar (ex) Nästan utsläppsfri Förnybar Storskalig elproduktion Nackdelar (ex) Stora ingrepp i det lokala landskapet Påverkar ekosystemet

Vattenkraftverkets byggstenar Omvandlar lägesenergi till först rörelseenergi och sedan elenergi På sätt och vis är det solen som driver vattenkraften. Solens strålar värmer ytvattnet i hav och sjöar så att det avdunstar. När vattenångan stiger kyls den av, kondenserar och bildar moln som ger snö och regn. Vattnet som forsar i älvar och åar på väg tillbaka mot hav och sjöar kan användas för att utvinna el. Vattenkraftverken utnyttjar älvarnas fallhöjd och vattenflöde. Det är alltså vattnets lägesenergi mellan två nivåer som utnyttjas för att skapa elektricitet. Vattnet som strömmar från en högre till en lägre nivå passerar en turbin och får turbinaxeln att rotera. Turbinen driver en generator där elektriciteten alstras. För att öka fallhöjden och för att kunna lagra vatten bygger man dammar. Dammarna skapar stora vattenmagasin som gör det möjligt att anpassa elproduktionen efter säsong och användning. Vattenmagasin för lagring av energi Snösmältning och höstregn fyller på de stora vattenmagasinen längs älvarna. Genom att spara överskottsvattnet i vattenmagasin kan vatten lagras för att användas under de perioder när vi behöver som mest el. I en del magasin kan man lagra vatten i flera år. Det största vattenmagasinet i Sverige är sjön Vänern. Vattendomar styr vattennivåerna I en reglerad älv planeras användningen av vattnet mycket noga. Snötäcket mäts för att man ska veta vilka vattenmängder som kan komma när snösmältningen börjar. Tappningen styrs av behovet av elenergi. Tappningen begränsas av så kallade vattendomar där man fastställt gränserna för vattennivåer och vattenflöden i varje magasin.

Turbin Omvandlar flöde från vätska/gas till mekanisk arbete Rörelse och lägesenergi är mekaniskt arbete En vätska eller gas i rörelse innehåller potentiell energi och rörelseenergi Potentiell energi är energi som är lagrad i ett föremål beroende på dess position i ett kraftfält eller lagrad i ett system vars energi är beroende av systemets tillstånd, t.ex lägesenergi. I ett kraftfält är ett objekts potentiella energi det arbete som måste utföras för att flytta objektet från en referenspunkt till objektets position om arbetet är oberoende av förflyttningsvägen. Lägesenergin för en massa i ett likformigt gravitationsfält kan beräknas som E = m g h , där m är massan, h är höjden och g tyngdaccelerationen, som antas vara konstant över höjdskillnaden.

Teknisk utveckling Ny generator teknik - Powerformer kan generera upp till 400 kV ingen transformator behövs högre verkningsgrad minskade underhållskostnader enkel installation miljövänligare och säkrare Konventionell generator 30 kV transformator ökar till 400 kV