ET GRØN VISION UNDERVISNINGSMATERIALE. Vindenergi

Transkript

1 ET GRØN VISION UNDERVISNINGSMATERIALE Vindenergi

2 KAPITEL 1 Introduktion Our dependence on fossil fuels amounts to global pyromania, and the only fire extinguisher we have at our disposal is renewable energy. Hermann Scheer 1

3 LÆSEVEJLEDNING Her følger en læsevejledning til dette undervisningsmaterialer. Fakta Indeholder ekstra information, som kan være nyttig i forbindelse med det givne teoriområde. Øvelse Disse er øvelser, hvor du skal bruge lært teori til at løse dem. Case Case boksene indeholder links til side hvor du kan læse mere om praktiske anvendelser af teorien. Definition Disse bokse indeholder definitioner i brugt i dette materiale. Formel Formel boksene præsenterer vigtige formler knyttet til teorien. Eksempel Denne boks indeholder regne eksempler, der viser anvendelse af teorien. ii

4 Desuden findes følgende elementer: Quiz: Quizzer tester din forsåelse af teorien. Galleri: Du kan bladre gennem en række billeder i gallerier. (Kan ses i fuld skærm) Video: Tryk på disse for at se video. (Kan ses i fuld skærm) Interaktiv: Interaktiv figur. Klik på tekstboksene for forklaringer. (Kan ses i fuld skærm) Vindenergi - Kernestofsområder HTX A: Ellære, Elektriske Og Magnetiske Felter STX A: Energiomsætning, Elektriske Kredsløb, Elektrisk Energiforsyning, Vekselspænding, Transformation, Elektriske Felter, Magnetiske Felter, Faradays Induktionslov Indhold: Kapitel 2: Hvordan udnyttes vindenergi? Energiomsætning, spænding og strøm. Elektromagnetisme (faradays lov, flux, b-felt, højrehåndsregel, induktion) Generatoren, synkron og asynkron generator Kapitel 3: Distribution Spændingsniveauer, tab/modstand, transformere, strøm, spænding, flux, ohms lov, resistivitet, kabler og elektrisk felt. Kapitel 4: Elektricitet i hverdagen Interti og omdrejningsmoment. Udfordringer med vindproduktion. iii

5 Formålet med dette undervisningsmateriale er at give en forståelse af: 1. Den energiomsætning der sker i en vindmølle, 2. Distribution 3. Forbrug af energien. Denne ibook består af 3 kapitler, supplerende opgaver samt et eksperimentelt forsøg der belyser principperne i energiomsætningen. Kapitlerne kan læses individuelt eller som forlængelse af hinanden, de skal ses som en forlængelse af det eksisterende materiale omhandlende vindenergi. Materialet er sponseret af Energinet.dk og Tips og Lottomidler. Energinet.dk er den danske statsejede systemoperatør for transmissionssystemet i Danmark. De sørger for al transmission af el i Danmark, og deres hovedopgave er at sørge for balance mellem det elektriske forbrug og produktion. mekanikken inde i vindmøllen der kan være opbygget efter to forskellige principper, og de to principper forklares. Til kapitlet hører to mindre opgaver og to øvelser. Kapitel 3 omhandler distribution af el fra vindmøllen. Der fokuseres på transformere og højspændingsledninger, og grunden til at højspænding benyttes i det danske elnet, forklares. Desuden forklares to aspekter omkring ledningerne: Materialevalg ved undersøgelse af resistivitet og længden af isolatorerne i højspændingsmasten ved undersøgelse af de elektriske felter omkring ledningen. Kapitlet inkluderer supplerende øvelser. Kapitel 4 omhandler det elektriske forbrug samt problemstillingen omkring vindmøllers variable energiproduktion og et elsystem hvor elektrisk produktion og forbrug skal være i balance. Kapitlet inkluderer også et afsnit om udfordringerne ved vindenergi. Kapitel 2 omhandler hvordan mekanisk energi fra rotation fra vindmøllevingerne omdannes til elektrisk energi som føres ud i elnettet. Fokus er lagt på iv

6 SEKTION 1 Intro til vindenergi Vores elektriske energi bliver i stigende grad produceret af vindmøller, og der forskes konstant i at optimere udnyttelsen af vinden. Det danske vindeventyr synes aldrig at stoppe, og med det intensive fokus på omlægning til bæredygtig energiforsyning, er viden om vindenergi vigtigere end nogensinde før. I dette materiale introduceres du til vinden, hvordan man måler på vind, hvordan vindmøller er opbygget og meget andet. Der tages udgangspunkt i læren om grundlæggende fysiske principper, og teorien sættes i et teknologisk perspektiv med brugen af vindenergi som omdrejningspunkt. 5

7 KAPITEL 2 Hvordan udnyttes vindenergi Kapitlet dækker: 1. Energiomsætning i vindmølle 2. Generatoren 6

8 SEKTION 1 Energiomsætning i vindmølle Billede 2.1 Dreng i blæsevejr. opvarmes bevæger molekylerne sig hurtigere, og luftens densitet falder, vil der være færre molekyler pr. volumenenhed. Molekylerne bevæger sig tilfældigt rundt i mellem hinanden, nogle gange støder de sammen, andre gange støder ind i deres omgivelser. Når de støder ind i de Figur 2.1 Vind der påvirker en vinge Vindens resulterende kraft leveret på en dreng. Vind er defineret ved, at luft bevæger sig med en hastighed på over 0,2m/s. Luften bevæger sig, fordi der hele tiden opstår områder med trykforskel i den nederste del af vores atmosfære, kaldet troposfæren. Trykforskellene opstår ved at solen opvarmer Jordens overflade og de nederste luftlag forskelligt. Når luften Farverne symboliserer vindens hastighed. Blå er langsom og rød er hurtig. 7

9 omgivende flader udøver de en kraft på fladerne både opad nedad og til siderne. En vindmølle omdanner den kinetiske energi fra luftmolekylernes bevægelse det der i daglig tale kaldes vind til rotationsenergi i vindmøllevingerne. Herefter omdannes rotationsenergien fra Figur 2.2 vindmøllevingerne til elektrisk energi i en generator. Elektrisk energi er det der normalt omtales som elektricitet eller strøm. Den elektriske energi produceret af vindmøllen sendesgennem elektriske netværk, kaldet elnettet, ud til stikkontakterne i vores stuer. Når den mekaniske og elektriske energi skal beskrives, bruger man ofte begrebet effekt. Effekt er en fysisk størrelse der betegner den øjeblikkelige energimængde der på et bestemt tidspunkt afsættes i et apparat. Når man taler om energi, taler man derfor altid indirekte om energi i en bestemt tidsperiode, for eksempel en time, hvorimod effekt er en øjebliksværdi for energien pr. sekund. Definition Energi og effekt Energi måles oftest i Joule (J). Effekt defineres som den omdannede energi E [J] i tidsrummet t [s]: P = E/t Vindens kinetiske energi bliver omdannet til elektrisk energi i en vindmølle. Effekten P måles i watt (W) eller Joule pr. sek (J/s). 8

10 Formel Vindens effekt Figur 2.3 Luftmolekylernes effekt En luftmængde med en given densitet (! [kg/m 3 ]) der bevæger sig med en hastighed (v [m/s]) igennem et areal (A [m 2 ]),har en effekt (P [W]) der kan udregnes med følgende ligning:!!! P vind = 1 2 ρ A v3 Fra ligningen kan det ses at hvis vindhastigheden øges med 10 %, vil effekten i luftmængden øges med 33 %. Vindens hastighed har altså stor betydning for hvor meget elektrisk energi der kan produceres. Det er fysisk umuligt at omdanne al den mekaniske energi i vinden til elektrisk effekt. Hvis man gjorde det, ville det betyde at luften ville stå helt stille bag vindmøllen. Når luftmolekylerne strømmer forbi rotorbladene, har de en effekt Fakta Teoretisk set er det muligt at omdanne op til 59 % af vindens energi. 9

11 Figur 2.4 energien bliver omsat til termisk energi (varme) når omdannelsen finder sted. Vi kalder det et tab fordi varmeenergien ikke længere kan bruges i systemet. Opgave En vindmølle har en radius på 44 meter, og den er placeret på land hvor det blæser 10 m/s. Massefylden af luft ved 20ºC er 1,204 kg/m3. Tip: udnyt formel på forrige side Generatoren i vindmøllen omdanner effekten i vinden til elektrisk effekt i tre faser. A) Hvor meget effekt indeholder denne luftmænge? B) Hvor stor en mængde effekt kan vinden maksimalt overføre til vindmøllen? Som beskrevet ovenfor, omsætter vindmøllen energi fra én energiform til en anden. Energi kan ifølge grundet energibevarelse ikke skabes, forbruges eller ødelægges, den kan kun omdannes til andre former af energi. Når energi omdannes fra en energiform til en anden, siges det at der sker et tab i energien. Det sker fordi en del af 10

12 Vindmøllens opbygning En vindmølle består i store træk af en drivaksel, en gearboks og generator som vist nedenfor. Vindmøllens vinger sidder fast på drivakslen, der er en stang, hvis formål er at rotere. Når en luftstrøm passerer møllen, drejer vingerne rundt, og det får drivakslen til at dreje rundt med den samme hastighed. Figur 2.5 Vindmøllens opbygning Gearboksen bruges til at overføre rotationsenergi fra drivakslen til en anden stang, kaldet rotoren. Gearet ændrer omdrejningshastigheden sådan at rotorens hastighed er større end hastigheden af drivakslen. Princippet med et gear kendes fra en cykel, hvor den hastighed pedalerne drejer rundt med, ikke nødvendigvis svarer til hjulets omdrejningshastighed. Generatoren omdanner den mekaniske energi fra rotationen til elektrisk energi og det er den vi skal se nærmere på i de følgende afsnit. Figur 2.6 Vindmøllens overordnede dele Principskitse af vindmøllens opbygning 11

13 Billede 2.2 Ny 2-vinget mølle Vindhastighedens betydning Hvis vinden øges med 20% fra 10 m/s til 12 m/s, hvor mange procent stiger effekten så ca.? A. 33% B. 66% Case - 2-vinget mølle Ny test viser at møller med to vinger godt kan betale sig. Dermed kan der spares penge på materialer mm. Læs mere på Ingeniøren her. C. 73% D. 76% Check Answer Tip: udnyt formel på side 9. 12

14 SEKTION 2 Generatoren Der findes to typer generatorer der kan producere vekselspænding. Den ene kaldes for en synkrongenerator, og den anden kaldes for en asynkrongenerator. Det er for det meste en asynkrongenerator der bruges til at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi i en vindmølle. Asynkrongeneratoren er dog meget kompleks. Derfor kommer først en forklaring af hvordan en synkrongenerator virker, og bagefter forklares asynkrongeneratoren. Billede 2.3 Serviceeftersyn Fakta - Elektrisk generator En elektrisk generator er en maskine, der omdanner kinetisk energi til elektrisk energi. Dette er det omvendte af en motor. Ofte kan en motor bruges som en generator og omvendt. En mand står i en åben vindmøllenacelle. Han står på akslen, som går hen til gearingen. Nederst i billede ses den blå generator. 13

15 Synkrongeneratoren Figur 2.7 Statoren Synkrongeneratoren er den ene af de to typer generatorer som i dag bruges i vindmøller til at omforme mekanisk energi til elektrisk energi. Synkrongeneratoren er den simpleste generatortype. Det er en maskine der både kan bruges som en generator og som en motor. Den kan altså generere strøm hvis den bliver påvirket af en udefrakommende mekanisk kraft, eller den kan bruge strøm og derved fremstille en mekanisk kraft. I det følgende beskrives det hvordan den fungerer som generator. En synkrongenerator består overordnet af to dele: en rotor og en stator. Når vindmøllevingerne drejer rundt, drejer rotoren som vist på Figur 1.4. Statoren er derimod fastmonteret og står derfor stille. En stator er konstrueret som et rør, hvor der inde i hulrummet er placeret tre fremspring som illustreret i Figur 1.5. Fremspringene er placeret så der er præcis 120 imellem dem. Om hvert af disse fremspring er der viklet kobbertråd. Disse er tegnet med rødt på figuren. Kobbertrådene på hvert fremspring kaldes for Simpel skitse af statoren statorviklinger. En statorvikling fungerer som en elektrisk spole. På rotoren er monteret én eller flere magneter. Magneterne kan enten være almindelige magneter, der kaldes for permanente magneter, eller elektromagneter. Begge typer har et elektrisk felt omkring sig. En 14

16 Galleri 2.1 Et og to polpar Generator med et polpar, dermed en 2-polet generator. elektromagnet er en kunstig magnet der frembringes ved at sende jævnstrøm igennem en kobbertråd der er viklet som en spole. Magneterne i rotoren har en konstant nord- og sydpol. Hvis der er en enkelt magnet i rotoren, kaldes generatoren for en2-polet generator, eller man siger at generatoren har ét pol-par. Hvis der er to magneter, kaldes den for en 4-polet generator, eller man siger at den har to pol-par og så fremdeles. Når vinden blæser, og rotoren drejer rundt, drejer magneterne rundt inde i statoren. Det betyder at spolerne på statoren udsættes for et såkaldt vekslende magnetfelt. Det vekslende magnetfelt vil inducere en spænding i spolerne. Når en pol passerer en statorvinkling, vil spolen udsættes for en høj magnetisk feltstyrke her er koncentrationen af feltlinjerne størst. Når polen er passeret, aftager feltstyrken, hvorefter den igen stiger når den næste pol nærmer sig. Den inducerede spænding vil derfor også variere i størrelse, og deraf kommer den sinusformede spænding. Sinusformede spændinger kaldes på dansk for vekselspænding, navngivet af det vekslende magnetfelt. Ligeledes kaldes vekselspænding på engelsk for alternating. 15

17 Figur 2.8 Principskitse for 2-polet synkrongenerator Selvom spændingerne er forskudt i forhold til hinanden i tid, siger man at spændingerne er forskudt 120 i forhold til hinanden fordi der er 120 mellem statorviklingerne. De tre inducerede spændinger kaldes for Figur 2.9 Principskitse af en 3-faset synkrongenerator. Spændingen for en af generatorens spoler ses til højre i billedet. På Figur 1.7 er de inducerede spændinger i alle de tre statorviklinger vist. Spændingerne kaldes for UL1, UL2og UL3. Spændingerne har maksimum og minimum på forskellige tidspunkter. Det skyldes at magnetens nord- og sydpol er tættest på statorviklingerne på forskellige tidspunkter. Man siger at spændingerne ligger forskudt af hinanden. Faktisk er det placeringen af statorviklingerne der afgør hvor meget spændingerne er forskudt i forhold til hinanden. Der induceres en spænding i hver spole der tilsammen giver et 3-faset system. fasespændinger. Elsystemet i Danmark og i det meste af verden bygger på et 3-faset system. 16

18 Generering af strøm og spænding Fakta - Magnetisk flux og spænding Sammenhængen mellem det vekslende magnetfelt og den inducerede spænding i spolerne blev opdaget af Michael Faraday i Sammenhængen kaldes derfor for Faradays lov. Han opdagede at når der sker en ændring i den magnetiske flux (") nær en spole af metaltråd, så vil der induceres en spænding (U) i spolen. Figur 2.10 Magnetisk flux Magnetisk flux er alle de magnetiske feltlinjer omkring en magnet som er illustreret i Figur 1.8. Feltstyrken (H) beskriver det magnetiske felts styrke, og det afhænger af densiteten af fluxen. Densiteten angiver mængden af flux i et område, altså hvor mange feltlinjer der er. Magnetisk felt og feltstyrke Et magnetisk felt er et område omkring en ladet partikel i bevægelse, en leder hvori der løber en elektrisk strøm, eller en magnet hvor andre partikler, ledere og magneter påvirkes af en magnetisk kraft. Det magnetiske felt er defineret ved en retning og en størrelse som grafisk kan illustreres som flux-linjer. Tætheden af flux-linjerne indikerer det magnetiske felts styrke; jo tættere de er på hinanden, jo stærkere er feltet. Retningen indikeres altid som fra nord til syd-polen, idet det er denne retning at en ladet partikel vil blive påvirket med en magnetisk kraft. De magnetiske feltlinjer angiver den samlede flux af magneten. H angiver feltstyrken, dvs. mængden af flux. 17

19 Definition Tesla SI-enheden af det magnetiske felt er tesla T = N A m N er newton, A er ampere og m er meter. Definition Magnetisk flux! Den magnetiske flux er et mål for det felt der findes omkring magnetiske elementer, såsom en permanent- eller en elektromagnet. På tegninger afbildes flux som feltlinjer omkring magneten. SI-enheden for flux er weber: 1Wb = 1T m 2 Størrelsen af den inducerede spænding afhænger af ændringen af fluxen igennem et område af spolen pr. tidsenhed og af antallet af viklinger (N) i spolen. For at forstå Faradays princip lidt bedre, ser vi igen på generatoren. Idet en magnet i rotoren passerer en statorvikling, vil mængden af den flux der passerer igennem viklingen, ændres. Denne ændring i flux bevirker at der induceres en spænding i spolen. Dette er illustreret i animationen på næste side. Definition Faradays lov Ændringen af flux (") igennem en lukket strømkreds genererer ifølge Faradays lov en spænding (U). Størrelsen af spændingen afhænger af antal vindinger (N) i spolen og størrelsen af ændringen af fluxen ( dϕ(t) d(t) ) : U = N dϕ(t) d(t) Det negative tegn fortæller hvilken retning strømmen løber i. Ofte er man kun interesseret i størrelsen af spændingen, og udtrykket kan derfor reduceres til: U = N dϕ(t) d(t) 18

20 Film 2.1 Flux Definition Frekvens Ofte angives periodetiden (T [s]) som en frekvens (f [Hz]). Sammenhængen mellem frekvens og periodetid er: f = 1 T Når spolen drejer, ændres mængden af den flux der passerer igennem overfladearealet A. Derved induceres en strøm og spænding. Rotorens omdrejningshastighed Rotorens omdrejningshastighed påvirker hvor hurtigt spændingerne veksler fra maksimum til minimum. En periode for en sinusspænding er den tid det tager spændingen at bevæge sig fra maksimum til minimum og tilbage til maksimum igen. Det svarer til den tid der går fra en nordpol passerer en statorvikling, til den næste nordpol passerer den samme statorvikling. Alle vekselspændinger i det danske og europæiske elnet har en frekvens på 50 Hz, hvilket svarer til en periodetid på 0,2 sekunder. For en generator med et enkelt polpar (som vist i Galleri 2.1) er periodetiden identisk med tiden for én omdrejning af rotoren. Det svarer til at rotoren har omdrejninger pr. minut. Hvis en synkrongenerator har to polpar og skal generere en spænding på 50 Hz, skal rotoren dreje med en hastighed på omdrejninger pr. minut. Jo flere poler generatoren har, jo langsommere er omdrejningshastigheden altså på rotoren. 19

21 Definition Vekselstrøm og vekselspænding Vekselstrøm er en elektrisk strøm der periodisk ændrer retning fra negativ til positiv. Da spænding i følge Ohms lov er lineært afhængig af strømmen, vil strømmen også periodisk veksle fra negativ til positiv. Når spændingen har vekslet fra negativ til positiv en gang, er der gået én periode. Antallet af perioder pr. sekund kaldes for frekvensen, og den måles i Hertz [Hz]. Definition Frekvens og periodetid Rotorens omdrejningshastighed angives i antal omdrejninger pr. minut og benævnes n. Sammenhængen mellem antallet af polpar (p), periodetiden (T) og frekvensen (f) kan udtrykkes med følgende ligninger, hvor de 60 angiver omregningen fra minutter til sekunder: f = n p 60 og T = 60 n 1 p Opgave a) Vil der induceres en spænding i statorviklingerne hvis rotoren i en synkrongenerator står stille? b) Hvor mange polpar skal en generator have hvis rotoren ønskede hastighed er 500 omdr/min? Opgave Forklar hvilken form spændingerne fra en 3-faset generator har når den måles med et oscilloskop. Hvorfor har den netop denne form? 20

22 Asynkrongeneratoren Figur 2.11 Simpel skitse af statoren Som nævnt tidligere eksisterer der to typer generatorer. Indtil nu har vi hørt om synkrongeneratoren. I dette afsnit beskrives asynkrongeneratoren, der er langt mere kompliceret end synkrongeneratoren. Alligevel har asynkrongeneratoren hidtil været den mest udbredte generatortype i vindmøller. Det skyldes at asynkrongeneratoren er bedre til at håndtere vindens omskiftelighed. Asynkrongeneratoren er ligesom synkrongeneratoren en specialbetegnelse for en maskine. Asynkronmaskinen er ligesom synkronmaskinen både i stand til at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi som en generator og til at omdanne elektrisk energi til mekanisk energi, ligesom en motor. En asynkrongenerator består ligesom synkrongeneratoren af to dele: en rotor og en stator. Statoren i en asynkrongenerator er magen til statoren i en synkrongenerator. Den består altså af et rør, i hvis hulrum der er placeret tre statorviklinger med præcis 120 imellem sig. Der er 120º mellem de 3 statorviklinger. Rotoren i en asynkrongenerator En rotor i en asynkrongenerator opbygges af en jerncylinder med to metalringe (ofte kobber) i hver ende. Mellem ringene er et stort antal ledere/kobberstænger som vist i Figur

23 Figur 2.12 Rotor Figur 2.13 Magnetfeltets retning En rotor i en asynkronmaskine Den store forskel mellem en synkrongenerator og en asynkrongenerator er at asynkrongeneratoren skal startes op før den kan begynde at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi. Det gør man ved at tilslutte statorviklingerne til vekselspænding. Når der løber en strøm i en statorvikling, dannes et magnetfelt omkring den, og der skabes en sydpol og en nordpol. Påtrykkes en statorvikling en vekselspænding, som betyder at spændingsforskellen over statorviklingen varierer mellem at være positiv og negativ, vil strømmen variere med spændingen og derfor skifte retning, så syd- og nordpol periodisk bytter plads. I Figur 1.11 er det vist hvorledes magnetfeltet omkring en statorvikling ændres når strømmen skifter retning. Magnetfeltet fra to statorviklinger. Strømretning er vendt i statorviklingen til højre, og derfor har syd- og nordpol byttet plads. Magnetfelterne fra statorviklingerne vil påvirke rotoren, sådan at den drejer rundt. Det skyldes at statorviklingerne skiftevis tiltrækker og frastøder rotoren, som det er vist på figuren nedenfor. Figur 2.14 Drejefelt 22

24 Magnetfeltet kaldes for et drejefelt. Drejefeltets hastighed kaldes den synkrone hastighed (ns). Ved at tilslutte statoren til vekselstrøm kan man altså få rotoren til at dreje rundt. I en sådan situation opfører asynkronmaskinen sig som en motor. Rotorens hastighed og dermed motorens hastighed er lavere en drejefeltets hastighed. For at forstå hvad det præcis er, der gør at rotoren drejer rundt, er det vigtigt at vide hvordan et magnetfelt påvirker sine omgivelser. Et skiftende magnetfelt i en lukket strømkreds vil, ifølge Faradays lov, inducere en spænding i asynkrongeneratoren, hvor rotoren består af flere lukkede strømkredse. Det skiftende magnetfelt fra statorviklingerne vil derfor inducere spændinger i rotorens strømkredse. Disse spændinger giver anledning til, at der løber strømme rundt i rotorens kobberstænger. Udover Faradays lov gælder der også en anden lov, for hvordan et magnetfelt påvirker sine omgivelser. Denne lov kaldes for Laplaces lov. Ifølge Laplaces lov vil en leder, hvori der løber en strøm, blive påvirket af en kraft, hvis den placeres i et magnetfelt. I asynkrongeneratoren betyder Laplaces lov, at lederne i rotoren påvirkes af en kraft, fordi de befinder sig i et magnetfelt skabt af statorviklingerne. Kraften betyder at rotoren bevæger sig. Definition Laplaces lov Når en leder hvori der løber en strøm, er placeret i et uniformt magnetfelt B, vil der blive induceret en kraft på lederen som afhænger af magnetfeltet omkring den. Den kraft som bliver induceret på lederen, kan udtrykkes ved:!!! F = i(l B) = i L B sin(θ) hvor B repræsenterer styrken af magnetfeltet [T], i repræsenterer den strøm som løber i lederen [A], l repræsenterer længden af lederen [m], og # repræsenterer vinklen mellem magnetfeltets og strømmens retning. 23

25 Figur 2.15 Laplaces lov langefinger i magnetfeltets retning, vil tommelfingeren pege i den resulterende krafts retning, som vist i figuren nedenfor. Figur 2.16 Højrehåndsreglen En leder hvor der løber en strøm (i), er placeret i et magnetfelt, og herved induceres en kraft (F) på lederen. Retningen af kraften kan bestemmes med højrehåndsreglen. Retningen afhænger af både strømmens retning og retningen af det omgivne magnetfelt. Placeres pegefinger i strømmens retning og Pegefingeren i strømmens retning, langefingeren i magnetfeltets, og tommelfingeren vil afsløre retningen af den resulterende kraft. 24

26 Opgave En strømførende ledning er placeret i et magnetfelt. Strømmen i lederen løber fra bunden til toppen af figuren, og lederens længde er 2 meter. Strømstyrken i lederen er 0,5 A. Magnetfeltets retning er ind i figuren, og styrken er 0,75 T. Hvor stor bliver den kraft som induceres på lederen, og hvilken retning har den? Princip for asynkrongeneratoren som generator I dette afsnit vil vi se lidt nærmere på hvad der sker når en rotor drejer hurtigere end et drejefelt i en stator. Et drejefelt inde i en stator skaber en syd- og en nordpol som drejer rundt. Det vil sige at man kan betragte Figur 2.17 Der induceres en strøm i de lukkede strømveje, og der skabes en kraft som resulterer i bevægelse, med hastigheden v. 25

27 magneten som stillestående og kobbertromlen som om den bevæger sig, ligesom vist på Figur 1.15 Som vi har set tidligere, induceres en spænding i kobbertromlen når en nordpol drejer rundt om den. Det skyldes, at en kobberleder bevæger sig igennem et magnetfelt. Den inducerede spænding afhænger af kobberlederens hastighed igennem magnetfeltet, magnetfeltets størrelse og længden på kobberlederen samt vinklen mellem magnetfeltet og retningen på kobberlederens bevægelse. Formel Induceret spænding Dette er sammenfattet i ligningen nedenfor:!!! e ind = (v B) l e ind er den inducerede spænding [v], B repræsenterer magnetfeltets størrelse [T] og l længden af lederen [m]. Denne inducerede spænding vil generere en strøm, som igen vil inducere en kraft på den del af lederen, som er i magnetfeltet. Dette er illustreret på figur Figur 2.18 Drejefeltet inducerer en kraft på kobberstangen i rotoren. Den inducerede spænding skaber straks en strøm, som løber igennem kobbertromlen fordi, der er en spændingsforskel mellem hver ende af den. Da kobbertromlen hvori der løber en strøm, er placeret i et uniformt magnetfelt, vil det skabe en mekanisk kraft (F) på den. Det viser sig ved hjælp af højrehåndsreglen at den mekaniske kraft er modsatrettet rotorens bevægelse, og derved vil den få kobbertromlen til at accelerere ned i hastighed og bremse rotoren. Da rotoren modvirker denne kraft som blev produceret af magnetfeltet i statorviklingerne, vil der induceres en modsatrettet strøm i statorviklingerne. Det vil sige at 26

28 når rotorhastigheden er større end hastigheden af drejefeltet, vil den producere en strøm til elnettet. Dermed fungerer den som en generator. Hvordan adskiller asynkrongeneratoren sig fra synkrongeneratoren? Case - 2-vinget mølle Camp Positive Energy på Roskilde Festival har både vindmølle og solceller for at generere strøm. Se videoen nedenfor og læs mere på deres hjemmeside. Film 2.2 Vind- og solenergi på Roskilde Festival A. Den kan ikke producere strøm B. Magnetfeltet kører den modsatte vej af rotoren C. Magnetfeltet og rotoren kører ikke synkront Check Answer Interview om Camp Positive Energy's solceller og vindmølle, der genererer energi til lejerens lyd- og lysanlæg. 27

29 Hvordan var det nu højrehåndsreglen virkede? Check Answer 28

30 Opsummering Kan du huske disse begreber? Tryk Effekt Elektrisk generator 3-faset system Magnetisk flux Vekselstrøm Frekvens Periodetid Højrehåndsreglen 29

31 KAPITEL 3 Distribution Kapitlet dækker: 1. Gallerier 2. Interaktive figurer 3. Videoer 30

32 SEKTION 1 Distribution Dette kapitel handler om hvordan el transporteres fra en vindmølle ud til forbrugeren. Figur 3.1 Strømmen der produceres i en vindmølle, transporteres hen til forbrugeren igennem fire ledninger: tre faseledere og en nul-leder. Når afstanden er stor mellem vindmøllen og forbrugeren, transformeres spændingen op til 150kV i en transformer nær vindmøllen for at nedsætte energitabet under transporten. Energitabet skyldes et uundgåeligt varmetab fra ledningerne til omgivelserne. Spændingen transformeres dog ned igen til 400/230 V ved en transformerstation nær forbrugeren da store spændinger kræver en stor sikkerhedsafstand. De fire ledninger kan både være luftledninger eller nedgravede kabler. I figur 3.1 er vejen fra en vindmølle hen til en forbruger skitseret. Dette kapitel beskriver forskellige aspekter ved transporten af elektriciteten: Transformeren og højspændingsledninger og -master. Strømmens vej fra en vindmølle hen til en forbruger. 31

33 Transformeren Når strømmen fra en vindmølle skal transformeres op og ned i spænding benyttes en transformer. En let metode at konstruere en transformer på er ved at vikle to stykker ledning omkring en jernkerne, som illustreret på Figur 3.2. De to stykker ledning er formet som en spole, og spolen til højre på skitsen kaldes primærspolen og spolen til venstre på skitsen kaldes sekundærspolen. Antallet af vindinger på primær og sekundærspolen repræsenteres henholdsvis som N p og N s. Figur 3.2 Transformer Definition Omsætningsforhold, transformer! Påtrykkes spolen spændingen U p på primærsiden vil spændingen U s i sekundærspolen afhænge af forholdet mellem antallet af vindinger i primærspolen (N p ) og sekundærspolen (N s ). Ligningen nedenfor viser sammenhængen mellem spændingen i primærspolen og sekundærspolen for en ideel transformer (hvilket betyder at der ses bort fra varmetab):!!! U s = N s N p U p I en ideel transformer er effekten i primærspolen den samme som effekten i sekundærspolen. Det vil sige at produktet af strøm og spændingen er ens på begge sider af spolen. Denne sammenhæng kan benyttes til at bestemme strømmen i sekundærspolen: En simpel transformer 32

34 Formel Strøm og spænding Eksempel! En ideel transformer har 10 primærviklinger og 5 sekundærvinklinger. Sekundærspolen er serieforbundet til en modstand R. Primærsiden påtrykkes en spænding på 20 V, og der løber en strøm på 1 ampere. Hvor stor bliver strømstyrken og spændingen i sekundærspolen? Ved at benytte de to ovenstående ligninger bliver spændingen i sekundærspolen: N 5 Us = s Up = 20V = 10V Np 10! Sammenhæng af strøm og spænding!! Pp = Ps Up Ip = Us Is!! Up Ip Ns Np Up = Is Is = Np Ns Up Ip Us = Is!! Ip P er effekt [W], U er spænding [v], I er strøm [A] og N er antal viklinger. Øvelse Betragt figuren til højre af en transformer, hvor en vindmøllegenerator forsyner en landsby med en samlet elektrisk modstand R. Beregn omsætningsforholdet i transformeren, og giv ét bud på antal viklinger på primær- og sekundærsiden. Antag at tabet i ledningerne er 0 W. Og strømstyrken bliver 10 Is = 1A = 2A 5 Det kan ses at en halvering af spændingen i sekundærspolen resulterer i en dobbelt så stor strøm. 33

35 Det magnetiske felt i en transformer En transformer benytter magnetisme til at overføre energi fra primærsiden til sekundærsiden. Derfor vil vi nu se nærmere på hvordan et magnetfelt skabes, og hvordan det påvirker omgivelserne og dermed sekundærspolen i en transformer. Når der løber en strøm i en leder, dannes der et magnetfelt omkring den. Retningen på magnetfeltet kan findes med højrehåndsreglen. Gribes om lederen med højre hånd med tommelfingeren i strømmens Figur 3.3 retning, vil de andre fire fingre pege i magnetfeltets retning. Vikles lederen som en spole, vil der dannes et magnetfelt B når der løber en strøm i lederen. Magnetfeltet går gennem spolen, som vist til venstre i Figur 3.3. Til venstre er vist magnetfeltet omkring en leder. Strømmen i primærspolen på en transformer vil danne et magnet felt som vist i figur 3.4. Nogle materialer, f.eks. jern, bliver til en svag magnet i nærheden af et magnetisk felt. Luft kan ikke Figur 3.4 Magnetfelt fra en strømførende leder (til venstre). Magnetfelt fra en spole (til højre). Magnetfelt fra primærspolen i en simpel transformer med jernkerne 34

36 magnetiseres på samme måde, så derfor vil feltet styrkes i nærheden af jernkernen. Netop dette magnetfelt påvirker sekundærspolen i en transformer. Figur 3.5 Når magnetfeltet som blev dannet af primærspolen, ændrer magnetfeltet i sekundærspolen, vil den inducere en spænding i hver vikling. Ved en omskrivning af Faradays lov kan dette fænomen beskrives. Spændingen afhænger af fluxen i viklingen. Formel Spænding, flux og vindinger En simpel transformer samt magnetfeltet fra primærspolen (til venstre). Den inducerede spænding i en vinding i sekundærspolen (til højre). Spændingen sammenhæng med fluxen kan udtrykkes med følgende formel:! U ind = dϕ dt Er der N antal vindinger i spolen, vil den inducerede over spolen blive:! U ind = N dϕ dt 35

37 Højspændingsledninger Højspændingsledninger og nedgravede jordkabler bruges til at lede energi over længere afstande ved høje spændinger. Det statsejede energiselskab Energinet.dk ejer 400 kv-transmissionsnettet i Danmark, som kan sammenlignes med motorveje for elektriciteten. Desuden driver de transmissionsnettet på 150 og 132 kv-niveauet som alle er højspændingsledninger. Spændingsniveauer med lavere spændingejes og drives af lokale distributionsselskaber. Figur 3.6 Højspændingsmaster Distributionsnettet og dele af transmissionsnettet er i øjeblikket ved at blive gravet ned som kabler i stedet for at være synlige ledninger, idet masterne betragtes som mindre kønne i landskabet. Kabler er isoleredeidet de skal lægges ned i jorden, mens højspændingsledninger ikke er isolerede. Her bruges luften omkring dem som isolator. Højspændingsledningerne hænges op på isolatorer i højspændingsmaster. Det kan enten være i ét system med 3 faser eller flere systemer med 3 faser i hver. Nedenfor er vist to højspændingsmaster der bærer luftledninger på 400 kv: en nydesignet mast og den traditionelle Donau-mast. Den nydesignede mast er benyttet på en 400 kv-strækning mellem Aarhus og Aalborg. Begge master er forsynet med en jordleder i toppen som lynafleder. Når man designer højspændingsmaster, skal der tages højde for forskellige ting, og vi vil se nærmere på to af dem: Materialet til ledningerne og design af isolatorerne som ledningerne hænger i. Men først skal vi undersøge hvorfor højspænding i det hele taget benyttes. To typer højspændingsmaster 36

38 Hvorfor højspænding? Når en spænding transformeres op via en transformer, mindskes energitabet i ledningerne. Ved at transformere spændingen op over længere afstande kan det elektriske tab altså reduceres, så mere energi når frem til forbrugerne. Dette kan nemt påvises ved hjælp af Ohms lov. Definition Ohm s lov og elektrisk effekt Ohms lov beskriver sammenhængen mellem modstand R [Ω], spænding U [v] og strømmen I [A] i en elektrisk simpel komponent:! U = R I Den afsatte effekt P i komponenten er produktet af spænding og strøm: Tabet i ledningen afhænger altså af modstanden og strømmen igennem den. Modstanden er konstant, men jo mindre strømmen er, jo lavere tab vil der være. Når spændingen transformeres op, vil strømmen transformeres ned, og effekt-tabet vil derfor reduceres. Øvelse Vis at energitabet i en højspændingsledning kan nedsættes med ca. 75% hvis strømmen transformeres fra 1,4 ka til 0,7 ka. Ledningen har en modstand på 0,052 Ω/m.! P = U I = (RI ) I = R I 2 37

39 Ledningers resistivitet Elektrisk modstand er et udtryk for ledningens evne til at lede strømmen. Ledningsevnen er høj i materialer med en lille resistivitet og lav i materialer med høj resistivitet. For at kunne overføre så meget energi med så lidt tab som muligt skal materialet til højspændingsledningen derfor vælges med omhu. Figur 3.7 Ledning med længde L og tværsnitsareal A Tabel 3.1 RESITIVITET AF UDVALGTE MATERIALER Definition Resistivitet Materiale Aluminium Kobber Sølv Glas Teflon Ω/m 2,73*10^-8 1,72*10^-8 1,63*10^-8 1*10^-12 1*10^-19 Den elektriske modstand i et homogent kabel kan udtrykkes vha. længden L, tværsnitsarealet A og resistiviteten ρ som er materialeafhængigt. Resistivitet har SI-enheden Ω/m, og den elektriske modstand R har enheden Ω. I tabel 3.1 er en oversigt af udvalgte materialer.! R = ρl A!! 38

40 Den omsatte elektriske effekt bliver her omdannet til varme og omtales derfor som tabet i ledningerne. Størrelsen af den elektriske modstand i en ledning er afhængig af længden og materialet. Sølv og kobber er gode ledere fordi de har mange frie elektroner, og strøm er jo netop bevægelsen af elektroner. Sølv leder godt, men fordi det er så dyrt i forhold til kobber, er det kobber vi har i de fleste ledninger. Øvelse ville uregelmæssighederne medføre elektriske feltkoncentrationer. Uden om halvlederen er den endelige isolation lagt. Den består af et materiale der hedder PEX (tværbunden polyethylen). Omkring isoleringen er der yderligere et halvledende materiale og derpå en blykappe der beskytter mod vandindtrængning. Yderst sidder der en beskyttende plastkappe. I figuren nedenfor ses et typisk kabel af denne udformning. Figur 3.8 En aluminiumsleder har en modstand på 9 Ω. Ledningen har en diameter på 1,6 mm. Bestem længden af ledningen. Kabler Højspændingskabler består af en inderleder med isolering udenom. Inderlederen er enten massiv eller sat sammen af enkelte kobber- eller aluminiumstråde. For at gøre inderlederens overflade mod isolationen helt glat er der lagt et lag af halvledende materiale udenom lederen. Hvis overfladen ikke var helt glat, 400 kv plastisoleret kabel, 1-faset 39

41 Udfordringer i transport af el ved høje spændinger Ser man nærmere på højspændingsmasterne i det danske landskab, kan man se at der er forskel på længden af isolatorerne som ledningerne hænger i. ledning og højspændingsmasten. En sådan kortslutning vil kunne sætte hele strækningen af ledninger ud af drift. Vi vil nu undersøge hvad der har indflydelse på længden af sådan en isolator. Figur 3.10 Figur 3.9 Isolatorerne på højspændingsmasterne har forskellige længder Længden afhænger af hvilken spænding der er i de ophængte kabler: jo højere spænding, jo længere isolator. Isolatorerne skal sikre at der ikke sker en kortslutning mellem to ledninger eller mellem en Partiel udladning mellem ledning og mast kan forekomme hvis det elektriske felt er højere en breakdownstyrken af luft. 40

42 Isolatorer på højspændingsmaster Når der sendes en strøm igennem højspændingsledningen med spænding U, opstår der et kraftigt elektrisk felt E mellem ledningen og masten. Det elektriske felt opstår fordi ledningen har et højere elektrisk potentiale end masten, der er forbundet til jord. Isolatoren forbinder ledningen med højspændingsmasten. Dens tilstedeværelse i det elektriske felt øger feltstyrken og derved risikoen for et overslag af strøm mellem ledningen og masten. Et overslag kan også betegnes som en partiel eller fuldstændig afladning. Risikoen for et overslag er tilstede fordi luften omkring ledningen ionisereres ved høje feltstyrker. Partiel afladning er en elektrisk afladning eller en lysbue der næsten forbinder to elektroder igennem isoleringen, som i dette tilfælde er luften. De to elektroder er en ledning og jorden eller to ledninger. Partiel afladning ødelægger ledningen og isolatoren ogkan ske alle steder i et system hvor styrken af det elektriske felt overstiger breakdown-værdien af det isolerende materiale. Det isolerende materiale mellem to højspændingsledninger luft, og luft haren breakdown-værdipå 3kV/mm. Isolatoren mellem ledning og mast er oftest lavet af porcelæn eller forstærket glas og har en breakdown-værdi på 30 kv/mm. Partiel afledning kan bl.a. ske langs isolerende materiale eller omkring en elektrode i en gas (fx luft). Sidstnævnte kaldes for korona. Definition Det elektriske felt Alle elektriske ladede partikler er omgivet af et elektrisk felt. Kraftfeltet påvirker andre elektriske ladede partikler og kan, hvis feltet er stærkt nok, accelerere partiklerne i en bestemt retning. Det elektrisk felt er stærkest omkring den ledende elektrode, som i dette tilfælde er højspændings-ledningen. Er feltet homogent, vil styrken aftage proportionelt med afstanden r.! E hom = U r! U er spænding [V] og r er afstanden [mm]!! 41

43 Luften der omgiver en højspændingsledning, er ikke homogen. Det elektriske felt på ledningen vil også fordeles ujævnt idet det koncentreres ved ujævnheder, dårlige forbindelser, ridser eller døde insekter på ledningerne. I Vestjylland er der ofte problemer med meget saltholdig luft, der øger luftens ledeevne. Men for at belyse principperne ved partiel afladning kan det godt antages at luften omkring en ledning er et homogent felt. Hvis en transformer har 15 viklinger på primærspolen (N p ) og 50 viklinger på sekundærspolen (N s ) og en spænding i primærspolen på 200 V (U p ), hvad bliver så spændingen i sekundærspolen (U s )? A. 667 V B. 60 V C. 600 V D. 66,7 V Check Answer 42

44 Opsummering Kan du huske disse begreber? Transformeren Ohms lov Resistivitet 43

45 KAPITEL 4 Elektricitet i hverdagen Kapitlet dækker: 1. Elektricitet i hverdagen 44

46 SEKTION 1 Elektricitet i hverdagen Strømmen til vores stikkontakter derhjemme bliver i dag leveret gennem fire kabler fra elnettet. Det er illustreret i figur 4.1. Kablerne er tilsluttet et sikringsskab der fungerer som afbryder hvis der trækkes en for stor strøm. Kablerne er dimensioneret til at kunne overføre en bestemt mængde strøm: hvis der trækkes mere, vil de blive overbelastet og smelte på grund af varmeudviklingen. Det er samme princip som en vandslange. Der kan kun føres en vis mængde vand igennem slangen; fyldes der mere i, vil den springe. 45

47 Fakta - Maksimal strøm Man kan typisk trække 10 eller 13 A fra en fase før sikringen går. Det betyder at de apparater man sætter til samme stikkontakt, og som er forbundet til én fase, tilsammen maksimalt må trække!!! P = U I = = 2990W De fire ledninger der føres ind i huset, består af tre faser og en nul-leder. Hver fase har en spænding på 230 V med reference til nul-lederen. Spændingen mellem to faser er på 400 V. Der er tre typiske stikkontakter i Danmark: 1. Almindelig stikkontakt med en fase og en nul-leder 2. Stikkontakt med fase, nul og jord-leder 3. 3-faset stikkontakt. Figur 4.1 Figur 4.2 De tre typer stikkontakter i Danmark Den 3-fasede stikkontakt har fem stik: tre faseledere, en nul-leder og jord. Jord-lederen fås fra et metalspyd, der Strømmens vej ind i huset 46

48 er stukket ca. to meter ned i jorden. Det er apparater såsom komfur, vaskemaskine og opvaskemaskine der sættes på den 3-fasede stikkontakt, fordi de her kan trække 400V og derved en større strøm uden at kablerne overbelastes. Computere, Playstation, Wii, tv, lamper, støvsuger osv. sættes til de 1-fasede 230 V-stikkontakter. Brug grøn strøm når vinden blæser Elektrisk energi kan ikke pludselig opstå eller forsvinde i elsystemet, og derfor skal den produceres og bruges på samme tid. Forskere og udviklere arbejder i dag på at udvikle store batterier til at lagre strømmen i, men de løsninger der findes i dag, er enten ikke gode nok eller meget dyre. Det er utroligt pladskrævende at gemme strøm til andet end f.eks. en mobiltelefon, og derfor er det vigtigt at bruge strømmen lige når den produceres. Hvis energien ikke produceres og bruges samtidigt, vil det i værste fald betyde at du ikke længere har strøm i din stikkontakt: Elsystemet går i sort. Case - Kæmpe Batterier Et natrium-svovl batteri på størrelse med et hus skal give stabil strømforsyning til den amerikanske by Presidio. Monsterbatteriet kan gemme på 4 megawatt i op til otte timer. Læs hele historien i Ingeniøren her For at forstå hvordan elsystemet reagerer når produktionen eller forbruget ændres, ser vi nærmere på balancen i elsystemet, og hvordan vindmøller påvirker den i det følgende afsnit. Øvelse Undersøg hvordan strøm lagres i dag. Nævn tre forskellige teknologier eller metoder der bruges i dag i elnettet. 47

49 Balance i elsystemet Frekvensen er et mål for hvordan balancen er i elsystemet. Når frekvensen er præcis f = 50 Hz, er der perfekt balance mellem produktion og forbrug. Er f > 50, er produktionen større end forbruget, og er f < 50, er forbruget større end produktionen. Fakta - Frekvensvariation Den tilladte frekvensvariation er 0,15 Hz, dvs: 49,85 < f < 50,15 Hz. Hvis den elektriske produktion og det elektriske forbrug ikke er lige stort, vil det få indflydelse på den kinetiske energi i systemet og dermed de synkrone generatorers omdrejningshastighed. Hvis frekvensen øges eller mindskes, vil rotorerne enten begynde at drejere hurtigere og hurtigere eller langsommere og langsommere. Begge tilfælde fører til endnu større ubalance mellem forbrug og produktion og kan i værste fald ødelægge generatoren hvis f > 50 i længere tid. Sker der en ubalance mellem forbrug og produktion, vil der ske en ubalance mellem det mekaniske og elektriske omdrejningsmoment i generatoren. Formel Inerti og omdrejningsmoment Ser vi bort fra tab i systemet, vil dette resultere i en acceleration af rotoren med momentet T a :!!! T a = T m T e Hvor T m er det mekaniske omdrejningsmoment, og T e det elektriske omdrejningsmoment. 48

50 Formel Inerti og omdrejningsmoment Inertimomentet I for et roterende legeme er det samme som hvad massen er for et legeme der forskydes lineært: Jo tungere en genstand er, f.eks. en trillebør med sten, jo mere kraft skal der til for at opnå den samme acceleration som hvis trillebøren var tom. Ligeledes kræver et svinghjul med et stort inertimoment et større omdrejningsmoment for at accelerere lige så hurtigt som et hjul med et mindre inertimoment. Omdrejningsmomentet T beskriver den kraft et roterende legeme skal påvirkes med for at dreje rundt om en akse. Det afhænger af legemets inertimoment og omdrejningshastigheden:!!! T = I dω dt Fra denne sammenhæng kan det vises at den mekaniske effekt i en generator må være af samme størrelse som den elektriske for at fastholde frekvensen: Jω dω = P dt m P e hvor # = 2$f er rotorens vinkelhastighed, P e [W] er det elektriske forbrug, og P m [W] er den mekaniske effekt. Denne ligning er udtrykket for bevægelsen i generatoren, og kaldes for the swing equation. Hvis højre side af ligningen ikke er 0, vil det resultere i en acceleration eller deceleration af rotoren idet frekvensen vil ændre sig. Da inertimomentet er konstant, er det rotorens kinetiske energi der ændres, og den vil derfor enten rotere hurtigere eller langsommere: E kin = 1 2 Jω2 Elsystemet på Sjælland hænger sammen med det svenske elsystem, og d. 23. februar 2003 gik hele Sjælland i sort pga. fejl på elværker i Sverige, og der manglede derfor energi til at dække forbruget med. 49

51 Definition Effektbalance Nedenfor ses en by med fire huse, der forsynes med elektricitet fra en vindmølle og et kraftværk (P er effekt [W]). For at opnå balance må følgende være opfyldt: Forbrugsmønster og vindmøller Det elektriske forbrug er i dag utroligt forudsigeligt, og forbrugsmønsteret gentager sig selv dag for dag. Det følger overordnet den kurve som er vist i figur 4.4 nedenfor. Der er to markante spidsbelastninger: Om Figur 4.4!!! P e = P moelle + P kraeftvrk Figur 4.3 Gennemsnitligt effektforbrug i Danmark Simpelt elsystem med en landsby, vindmølle og et kraftværk. morgenen står folk op og laver mad og tager på arbejde og tænder derfor for elkoger, tv, computer osv. Om 50

52 eftermiddagen omkring kl er folk hjemme igen for at lave mad, se tv og fx støvsuge. Der er selvfølgelig forskel på sommer/vinter og hverdag/weekend, men overordnet er mønsteret det samme. Tidligere kunne produktionen nemt styres på kulkraftværkerne så det passede til forbruget. Men med vindmøller i systemet bliver det mere komplekst at regulere elsystemet. Idet vindmøllerne bogstaveligt talt producerer strøm som vinden blæser, bliver det svære og sværere at holde balancen mellem forbrug og produktion da forbrugsmønsteret hver dag er så stabilt. Af fysiske årsager tager det flere timer at skrue op for produktionen på kulkraftværkerne. Der kan hurtigt skures ned for produktionen ved at lukke op for dampen, men af økonomiske årsager ønsker man at undgå dette. I dag køber og sælger Danmark energi fra Sverige og Tyskland for at holde balancen, men jo flere vindmøller vi sætter op, jo mere uregerligt bliver vores system, og vi må købe og sælge mere energi for at opretholde balancen. Problemerne opstår for alvor ude i fremtiden hvor Sverige og Tyskland også får bygget store antal vindmøller når den samme vejrfront blæser ind over landene, er der pludselig ingen steder at sælge den overskydende energi til. Så må vindmøllerne kobles fra, og det vil ejerne af økonomiske årsager gerne undgå. Produktionen i kraftværkerne skal tilrettelægges 24 timer i forvejen for at opnå en så økonomisk drift som muligt. Kraftværkerne kan derfor ikke indrette sig efter vindmøllerne og er fuldt afhængige af pålidelige prognoser for vejret 24 timer frem. Men hvis prognoserne tager blot en smule fejl, vil der enten være et over- eller et underskud i energiproduktionen. 51

53 Hvad er en af de store udfordringer for vindenergi i dag? A. Oplagring af strømmen B. At levere strøm ved den rigtige frekvens C. De kan ikke holde til hvis det blæser for meget D. De kan ikke opretholde effektbalancen Check Answer 52

54 SEKTION 2 Udfordringer Vindmøller producerer strøm som vinden blæser. Derfor ligger en stor udfordring i at forudse vejret den næste dag, og hvor meget strøm der kan produceres. Således kan kraftværker medregne dette i deres planlægning og dermed vide, hvor meget strøm de selv skal producere ved hjælp af andre kilder. Dette er meget vigtigt af flere årsager: det er dyrere og dårligere for klimaet at have et kulkraftværk i drift end en vindmølle. Hvis vinden blæser meget giver det ikke mening at producere mere strøm end nødvendigt på kraftværker, når det kan komme gratis fra vindmøllerne. Hvis der helt uforudset bliver vindstille fra den ene dag til den anden kan kraftværkerne ikke producere nok. I værste tilfælde kan frekvensen i elnettet falde til under et kritisk niveau, og der opstår en strømafbrydelse. Med det sidste scenarie in mente er det klart, at der findes en grænse for, hvor meget vindenergi der kan implementeres i energiforsyningen, indtil tilstrækkelige lagringsmuligheder er fundet. I Danmark kan ca. 25% af vores elektricitetsforsyning komme fra vindmøller. Hvordan ser fremtiden ud? En af de store udfordringer for el-ingeniører i fremtiden er derfor at gøre det elektriske forbrug variabelt, så det kan justeres i forhold til den varierende energiproduktion frem for sådan som det er i dag hvor produktionen indstilles efter forbruget. Et skridt på vejen kan være det såkaldte Smart Grid. Læs mere om det hos Dansk Energi her. 53

55 Figur 4.5 Lagring af vindmøllestrøm Case - Vindmøller i træ? Måske er fremtidens vindmøller lavet af træ? Det har svenske InnoVentum i hvertfald specialiceret sig i! På El Hierro i spanien bruges en udslukt vulkan til at lagre vindmøllestrøm. Læs mere på Ingeniøren på nedenstående link. Artikel om El Hierro hos Ingeniøren kan læses her. 54

56 Opsummering Kan du huske disse begreber? Inerti Omdrejningsmoment! 55

57 Troposfæren Troposfæren er det nederste lag af Jordens atmosfære og dermed en del af biosfæren. Related Glossary Terms Drag related terms here Index Find Term Kapitel 2 - Energiomsætning i vindmølle