Sct. Knuds Gymnasium Studieretningsprojekt December 2015 Indholdsfortegnelse Indledning... 1 Vindmøller i det danske landskab... 2 Vindmøllens aerodynamik... 3 Bernoullis princip... 5 Eksperimentel undersøgelse af aerodynamiske kræfter... 6 Vindmøllens effektivitet og Betz lov... 9 Vindens energi... 10 Eksperimentel undersøgelse af vindmøllens nyttevirkning... 11 Artikel... 12 Metaafsnit... 17 Konklusion... 21 Litteraturliste... 23 Bøger... 23 Noter og internetadresser... 23 Artikler... 23 Øvelsesvejledninger... 24 Privat kommunikation... 24 Bilag A... 25 Bilag B... 25 Bilag C... 26 Bilag D... 27 Bilag E... 28 Bilag F... 29 Bilag G... 30 Bilag H... 32
Sct. Knuds Gymnasium Side 1 af 34 Indledning Som borgere i det senmoderne samfund er begreberne lyst og interesse i høj grad blevet pejlemærker for vores handlemønstre og livsstilsvalg. Siden 1700-tallet, da industrialiseringen udbredtes til store dele af verden, har vores energiforbrug undergået en voldsom ekspansion, og for at kunne tilgodese vores behov har vi udnyttet en række lettilgængelige fossile brændsler, som først har udmeldt betalingsfrist på et senere stadie. Den globale opvarmning har meldt sin ankomst, og vi har samtidigt måtte erkende, at olie- og kulreserver er udtømmelige bankkonti, der kræver store renter i form af en truende luftforurening og accelererende klimaforandringer. For at imødegå de omkostningerne har vi måtte tænke i andre og mere rentable baner, som afspejles i politiske vedtagelser om opbakning af vedvarende energikilder som sol-, vind- og vandenergi. Formand for Eurosolar 1, Herman Scheer har udtalt: Our dependence on fossil fuels amounts to global pyromania, and the only fire extinguisher we have at our disposal is renewable energy. 2 I et land som Danmark, har vi fundet udnyttelsen af vindenergi særligt rentabelt, og vi har i en længere årrække udviklet på de el-producerende vindmøller, så de mest effektivt har kunne bidrage til en større del af vores elforbrug. Vindmøller har en maksimal effektivitet og i opgaven redegøres for Betz lov om en vindmølles maksimale effektivitet, Bernoullis ligning om fluidmekanik samt en række forhold, der har indflydelse på hvor meget strøm, en vindmølle kan producere. Bl.a. vindmøllens placering og højde i landskabet, vingernes aerodynamiske udformning, vindens hastighed samt luftens densitet, På Danmarks Tekniske Universitet har jeg eksperimentelt undersøgt en vindmølles virkemåde i forbindelse med betydningen af vindens indfaldsvinkel i forhold til vingernes løftekraft. Endvidere har jeg hjemme i haven foretaget målinger på en mindre vindmøllemodel for at undersøge vindmøllens virkningsgrad. Det danske vindeventyr fortsætter og med det intensive fokus på omlægning til bæredygtig elforsyning, kræver det en viden om vindenergi, men også at vi videreudvikler på at optimere vindmøllernes virkemåde. I opgaven har jeg, gennem en populærvidenskabelig artikel til målgruppen den almindelige voksne dansker, formidlet et budskab om, at vores elforbrug i højere grad skal suppleres af vindenergi. Modtagerne er den typiske læser af Samvirke, og for at tilpasse sproget og budskabet til målgruppen har jeg foretaget en SWOT-analyse af selve emnet, men også kontaktet en redaktør for magasinet Samvirke for at kunne analysere målgruppen. Det er især vigtigt at have kendskab til målgruppen, fordi vi i dag er hurtigere end aldrig før til at zappe rundt i et marked, der udbyder den ene form for oplysning efter den anden, men vi er mere nærrige med vores kostbare tid. Hvem, der skal ende med at frarøve den tid, afhænger i høj grad af, hvordan sproget er udformet, så det skaber relevans for netop os. For at formidle et budskab, må man oversætte dansk til et dansk, der kan forstås, men også fænger, så det vækker interesse og vigtigst af alt læselyst. 1 The European Association for Renewable Energy 2 GrønVision undervisningsmateriale, Vindenergi s. 1
Sct. Knuds Gymnasium Side 2 af 34 Vindmøller i det danske landskab Når vi ser en vindmølle, ser vi hovedsageligt tre dele, som den består af. Først og fremmest er der de tre vinger, som tilsammen benævnes rotoren. Vingerne sidder fastgjort på det såkaldte nav i den ene ende af møllehuset - også kaldet nacellen som indeholder de vigtigste dele bl.a. gearkasse, vindfane og generator. Til sidst kan vi ikke undgå at bemærke det høje tårn, som nacellen er hæftet på, hvorigennem der er trukket kabler ned til kontrolcenteret i bunden af møllen og ned i jorden til det underjordiske elnet. For at bidrage til vores elforsyning må vindmøllen omsætte vindens kinetiske energi, fra luftmolekylernes bevægelse, til rotationsenergi i vindmøllevingerne og efterfølgende til elektrisk energi. Dette sker ved, at en vindfane registrerer hvorfra, vinden kommer og sender signal til krøjemotoren i nacellen, som drejer møllehuset om sin egen akse, så de tre vinger står op mod vinden, og rotoren drejer rundt. Rotorens mekaniske bevægelsesenergi omsættes til elektrisk energi, idet den ledes gennem gearkassen, som omsætter rotationshastigheden fra rotorens langsomtroterende aksel til en mindre aksel med en højere omdrejningshastighed. Det kender vi fra cykler, hvor pedalernes omdrejningshastighed ikke nødvendigvis svarer til hjulets. Den hurtigtroterende aksel trækker generatorens aksel, der inducerer en vekselstrøm, som videresendes til elnettet. 3 Rotoren drejer først, når vindhastigheden er på 4-5 m/s, og generatoren kobles først på elnettet, når rotoren når en bestemt hastighed. Mærkeeffekten er for en 2 MW-mølle opnås, når vindens hastighed er 14-15 m/s, det er den maksimale ydeevne. Stiger vindhastigheden, må man bremse møllen, da den ellers vil blive overbelastet og gå i stykker. For at undgå overbelastning lader man ofte vindmøller stalle og bremse sig selv, eller programmerer man vingerne til at kunne pitch-regulere, hvor de elektronisk kan dreje de enkelte møllevinger indbyrdes om deres længderetning for at optimere vindens indblæsningsvinkel også kaldet indfaldsvinkel og dermed effekten af vinden. Pitch-regulering har et højt energiudbytte, men kræver en mere avanceret og dyrere teknologi. 4 Selvom man kan regulere på dele af vindmøllens komponenter, og det blæser meget, er det ikke ligegyldigt hvor vindmøllen er placeret i landskabet. Forskellige landskabstyper tildeles en ruhedsklasse, som er en indikator på, hvor meget vinden bremses af landskabet. F.eks. har havoverfladen ruhedsklasse 0, hvilket svarer til et energiindeks på 100%, og landbrugsområder med nogen bebyggelse og 8 meter høje levende hegn med indbyrdes afstande på ca. 500 m 5 har ruhedsklasse 2 og et energiindeks på 39%. Det betyder, at en stor del af vindens potentiale går tabt, eller i dette tilfælde reduceres energien mere præcist med 61%. 6 Derfor har landmøller ofte højere mølletårne end havmøller, da vindhastigheden er større i en højere højde, endvidere er der mindre turbulens fra f.eks træer, hegn, bygninger og landskaber, højere oppe i luftlaget. Turbulens skabes nemlig, når vinden blæser hen over en ru overflade, som skaber hvirvler og strømninger i luften. Det betyder, at vindhastigheden og vindretningen er skiftende i stedet for, at luftmolekylerne strømmer parallelt med 3 Petersen, Det danske vindmølleeventyr s. 89 4 Op.cit. s. 43 5 Op.cit s. 79 6 ibid.
Sct. Knuds Gymnasium Side 3 af 34 en rimelig konstant hastighed. Over havet er der meget lidt turbulens jf. førnævnte ruhedsklasse, og vinden blæser med højere hastigheder. En kraftigere, men jævn vind vil bidrage til en højere strømproduktion og til, at møllen belastes mere jævnt og derfor opnår en længere levetid, som er økonomisk fordelagtigt. Overordnet er energipolitik ofte et spørgsmål om et lands økonomi, fordi det endnu i dag er lidt dyrere at producere strøm fra vindmøller en på el-kraftværker. Til de meget effektive havmøller er der f.eks. store anlægsudgifter til fundering og kabelføring samt servicering, derfor ser vi dem oftest placeret på et lille areal i store vindmølleparker. 7 Opsætningen kræver politisk velvilje, og vindmøllerne må effektiviseres så godt som muligt uden for store omkostninger. 8 Vindmøllens aerodynamik Når solen opvarmer jordens overflade, vil der opstå områder med trykforskelle i den nederste del af vores atmosfære. Når luften opvarmes, vil molekylerne bevæge sig hurtigere, og luftens densitet falder. Dette får luften til at flytte sig, og begrebet vind er defineret ved, at luften bevæger sig med en hastighed på over 0,2 m/s. 9 Når det blæser, bevæger luftmolekylerne sig tilfældigt rundt mellem hinanden og støder sammen og ind i deres omgivelser. Når et luftmolekyle rammer en møllevinge, afgiver molekylet noget af sin kinetiske energi til rotorbladet, som skubbes rundt og omdanner energien. 10 For at effektivisere vindmøllernes energiproduktion er rotorbladenes størrelse fordoblet flere gange over de sidste 30 år, og rotordiameteren har altså stor betydning for energiproduktionen. Udvikling af rotordiameter fra 1980 til 2005. Diameterens størrelse er øget med 105 meter. 11 Men størrelsen af vindmøllerne samt deres placering i landskabet er ikke de eneste faktorer, der spiller ind. 12 Den mest banebrydende udvikling inden for vindmølleteknologiens historie var udformningen af de aerodynamiske vingeprofiler. I de moderne vindmøller har man udarbejdet et 7 Op.cit. s. 80 8 Grøn Vision undervisningsmateriale, Vindenergi s. 53 9 Op.cit. s. 7 10 Petersen s. 16 11 Op.cit. s. 56 12 Nissen, Wind Power s. 68
Sct. Knuds Gymnasium Side 4 af 34 aerodynamisk vingeprofil, som, altafhængigt af vindmølletypen, er fordelagtigt udformet, så rotoren trækkes bedst rundt. Idéen til ændringen af vingeprofilet kom fra flyvemaskinevinger, der i høj grad udnytter trykforskellen på vingeprofilet, som skaber opdriften på flyet og løfter det. Når et vingeprofil omsluttes af en luftstrømning, vil vingen dele luftstrømmen og tvinge den omkring sig. Luftstrømningen kan ses som et vindrør, der bevæger sig parallelt med vindretningen, og vingen udsættes for en vindmodstand, hvor den resulterende aerodynamiske kraft kan opdeles op i to komposanter. Den lodrette kraft, F lift, som vil løfte vingen og den vandrette kraft, F drag, som vil bremse vingen - også kaldet løftekraften og modstandskraften. Når vingen er udformet aerodynamisk, bliver vindmodstanden så lille som muligt, og vingeprofilet opnår den største løftekraft i forhold til den bremsende kraft. Billedet viser et tværsnitprofil af en NACA-vinge, som bliver angrebet af en vind med hastigheden v 0. Dette resulterer i de to komposanter F lift og F drag. 13 NACA-vingeprofilet er ikke symmetrisk omkring korden, som også er indtegnet på billedet, og vingen krummer. 14 Vindens indfaldsvinkel, α, er vinklen mellem den indkommende vind og korden, og den har stor indflydelse på hvor meget opdrift, vingen giver. Ved positive indfaldsvinkler, hvor α > 0, vil vindens hastighed på oversiden af vingen øges og mindskes på undersiden - og omvendt for negative indfaldsvinkler, hvor α < 0. Over vingens krumning vil vindrørene blive smallere, idet de passerer vingen. Det må betyde, at luften, der passerer over vingen, bevæger sig hurtigere. 15 Ved en voksende indfaldsvinkel vil der opstå en separation på profiloversiden, fordi luftstrømmen ikke længere kan følge profilets krumning på oversiden og løsrives, hvilket medfører, at profilet begynder at stalle. Når vingen begynder at stalle, har indfaldsvinklen oversteget en kritisk værdi, og luftstrømningen går fra at være laminar til at være turbulent. Herved bliver der dannet hvirvler på den krumme side af vingen, så opdriften vil aftage, og vindmøllen vil gradvist bremses. 16 Illustrativ model af luftstrømningen når indfaldsvinklen, α, er hhv. mindre og større end den kritiske vinkel. Der ses turbulent strømning oven over vingen, når vingen staller, som trådene fra forsøget også giver et billede af. 17 13 billede fra Øvelsesvejledning for vindmølle 14 Eksempler på vingeprofiler se Bilag A 15 Aarhus Universitet, Opdrift og modstand på et vingeprofil s. 2 16 Ingwersen, Fysik i blæst s. 40 17 Illustration fra Mikkelsen noter om Fluid Mekanik og Aerodynamik s. 15
Sct. Knuds Gymnasium Side 5 af 34 For at forstå opdriften på en vinge må man kigge nærmere på grundlaget for, hvad der kobler tryk og hastighed, og netop dette har schweiziske matematiker og videnskabsmand Daniel Bernoulli undersøgt. Bernoullis princip Loven om energibevarelse fastslår, at energi hverken kan opstå eller forsvinde. Den samlede energi er bevaret og kan kun omdannes til andre former for energi. Deraf fastslog Bernoulli, at den samlede energi i en given luftmasse skal være konstant, og hvis luftmassen er i bevægelse, vil den udøve et lavere tryk på omgivelserne, end hvis den er stillestående. Ifølge Bernoullis princip vil trykket i en luftstrøm falde, når hastigheden af luftstrømmen vokser. Trykforskellen på vingens over- og underside medfører den resulterende opadrettede kraft, som ligger vinkelret på vingens korde og trækker vingen fremad i rotationsretningen. Luften betragtes som vindrør, der bevæger sig i en laminar strømning mod vingeprofilet, de røde streger indikerer, hvor vindhastigheden er størst og de blå, hvor den er lavest. 18 Man beskriver grundlæggende tryk som forholdet mellem en kraft, som virker på en vinkelret flade, og fladens areal. 19 Indenfor fluidmekanikken bruger man fluid som fællesbetegnelse for væsker og gasser, fordi de næsten har samme strømningsegenskaber. 20 Når luften strømmer hen over vingefladen, vil vingefladen blive udsat for et dynamisk tryk, p, som følge af vindens hastighed, v0, og dette optræder som et trykled i Bernoullis princip om fluidmekanik 21 : p + 1 2 ρ v 0 2 = konstant Ligningen beskriver friktionsfri strømning, hvor der altså ikke tages højde for luftmolekylernes sammenstød med hinanden, og hvor ρ er luftens densitet. Det fremgår af ligningen, at trykket vil være lavest, så længe rumfanget er konstant, når vinden har den største hastighed, da summen af leddene skal give en konstant. Den opadrettede og den bremsende kraft på vingen kan beregnes ved: 22 18 billede fra Grøn Vision s. 7 19 Definition fra http://www.denstoredanske.dk/it,_teknik_og_naturvidenskab/fysik/statistisk_fysik_og_termodynamik/tryk. Besøgt 8.12.2015 20 Mikkelsen noter om Fluid Mekanik og Aerodynamik s. 2 21 Petersen s. 17 22 Mikkelsen noter om Fluid Mekanik og Aerodynamik s. 11-13
Sct. Knuds Gymnasium Side 6 af 34 F lift = 1 2 ρ A v 0 2 C lift (liftformelen) F drag = 1 2 ρ A v 0 2 C drag (dragformelen) Liftkoefficienten, C lift og dragkoefficienten, C drag er begge enhedsløse faktorer og beskriver karakteristikken af det specifikke vingeprofil. Det vil sige hvor meget opdrift og modstand en vinge kan give, idet begge dele både er afhængige af profilgeometrien, vindhastigheden samt indfaldsvinklen. 23 Eksperimentel undersøgelse af aerodynamiske kræfter Selve udformningen af vingen har stor betydning for de kræfter, der virker på vingen, og man navngiver forskellige vingetyper til forskellige anvendelser. F.eks. har jeg arbejdet med et NACA64015 airfoil-vingeprofil, som er et bæreplan, formet som en typisk vindmøllevinge. 24 Ingeniører og teknikere arbejder fortsat på at videreudvikle og optimere den kurvede udformning af vingen, og den danske stat sætter årligt et beløb af til at forbedre de danske vindmøller. Et vingeprofils aerodynamiske egenskaber kan bedst bestemmes i en vindtunnel, hvor der kan blæse luftmolekyler igennem et område med en kendt og konstant vindhastighed. Desuden kan man justere indfaldsvinklen ved at dreje på vingen og derfra bestemme vingens opdrift og modstand med en kraftmåler. På Danmarks Tekniske Universitet har jeg foretaget eksperimentelle undersøgelser i relation til en vindemølles virkemåde. Jeg har undersøgt en todimensional model af en NACA-vinges egenskaber for opdrift, ved at måle løftekraften, F_lift, når luften omkring vingen har forskellige hastigheder og indfaldsvinkler. Måleresultaterne ses i skemaet nedenfor: 25 Det fremgår af tabellens data, at løftekraften vil begynde at aftage gradvist ved forskellige indfaldsvinkler afhængigt af vindhastigheden, hvilket er i overensstemmelse med teorien, der erklærer, at Flift er afhængig af v0 jf. Bernoullis ligning. Når kraften aftager, mindskes vingens opdrift, og den kritiske vinkel er oversteget. Når v 0 = 20 m/s, overstiges den kritiske vinkel et sted mellem 6 og 9, og når v 0 = 40 m/s opnås den mellem 12 og 15. Dette er en vigtig egenskab, fordi Tabel I 23 Ibid. 24 se billede af NACA-vinge Bilag B 25 se øvelsesbeskrivelse samt større skema Bilag C
Sct. Knuds Gymnasium Side 7 af 34 møllevinger ofte er konstrueret til stall-regulering, som bruges til at bremse møllen, når det blæser mere, end den er konstrueret til for at undgå beskadigelse. 26 Under forsøget var det, udover at aflæse på kraftmåleren, nemt rent visuelt, at bestemme, når vingen stallede, da der var monteret nogle små stoftråde over vingeprofilet, som fulgte vindstrømningen. På billederne under ses vingeprofilet monteret i vindtunnellen, ved regulær strømning og ved stall. Snorene følger den laminare strømning Ved stall hvirvler snorene rundt over profilet, hvor luftstrømmen bliver turbulent. I forbindelse med det eksperimentelle arbejde målte jeg nogle værdier for hhv. tryk, temperatur samt det planforme vingeareal, for at kunne bestemme på karakteristikken af vingeprofilet. Tabel II Temperaturen i lokalet, T 21 C 294,15 K Statiske tryk, p 1008,4 hpa Areal af vingeunderside, A 0,015m 0,34 m 0,051 m 2 For at bestemme liftkoefficienten for vingeprofilet udnytter jeg liftformelen og isolerer C lift : F lift = 1 2 ρ A v 0 2 C lift C lift = 1 2 ρ A v 0 2 Luftens densitet, ρ, bestemmer jeg ud fra en form af idealgasligningen som jeg har udledt i Bilag D: p = ρr specifik T ρ = p R T ρ = 1008,4 hpa 287 J kg ρ = 1,19 K m kg K 294,15 3 og R specifik = R u M = 8314,3 J(kg mol K) 28,98 kg kg mol F lift 287 J kg K (note 27 ) 26 Petersen s. 43 27 R u = universelle gaskonstant og M= molær masse af luft Mikkelsen pdf s. 5
Sct. Knuds Gymnasium Side 8 af 34 Dette er en acceptabel værdi, men den afviger en smule fra tabelværdien: slår man densiteten af luft ved stuetemperatur op i Databogen har den en værdi på 1,293 kg m 3 (note 28 ), afvigelsen kan skyldes en mindre temperaturforskel. Bemærk, at densiteten er omvendt proportional med luftens temperatur: var temperaturen i lokalet lavere, ville densiteten være højere, og dermed ville opdriftskraften også være højere, da F lift er ligefrem proportional med ρ. Dette er fordelagtigt for et land som Danmark, hvor der ikke altid er 25 og solskind, da vindmøller producerer mere energi ved en lavere temperatur. Da F lift afhænger af vindhastigheden i anden potens, er vindens hastighed dog stadigvæk den væsentligste faktor. Jeg kan nu indsætte mine beregnede værdier for ρ og A og bestemme C lift " til enhver indfaldsvinkel for de to forskellige vindhastigheder. Eksempelvis: ved v 0 =20 m/s og α=6 er F lift = 14,8 N (note 29 ) P lift = F lift 14,8 N = 1 2 ρ A v 0 2 1 kg 2 1,19 m 3 0,051 m2 (20 m = 1,219 )2 s Jeg har indtastet F lift som funktion af α i grafværktøjet i LoggerPro, som kan ses nedenfor: Man kan se, at kurven forløber nogenlunde lineært som indfaldsvinklen øges, indtil det tydelige knæk på kurven, når vingen begynder at stalle. Var der flere målinger, ville det være nemmere at bestemme en eksakt værdi for den kritiske vinkel. For at illustrere vingeprofilets egenskaber, har jeg nedenfor indtegnet liftkurven for vingeprofilet. Kurven beskriver liftkoefficienten som funktion af indfaldsvinklen, og dette er den egentlige karakteristik af netop dette vingeprofil. Hvis jeg havde fortaget flere målinger efter stallet ved v=40 m/s, ville kurven formodentlig udvikle sig mere svingende, lige som ved v=20 m/s. 28 Til opslag i databogen er der benyttet 11. Udgave 4. Oplag 2009 29 se Tabel I med måleresultater
Sct. Knuds Gymnasium Side 9 af 34 Begge liftkurver opfører sig tilnærmelsesvist lineært op mod stallet, hvilket gælder for de fleste vingeprofiler. Efter stallet opfører grafen sig mere uforudsigeligt, og hvordan, grafen forløber, er meget forskelligt for de forskellige profiler. 30 Grundet vingeprofilets krumning vil lift-kurven ikke skære i (0,0), da der er opdrift på vingen ved α = 0, hvilket også er hele idéen ved udformningen af vingeprofilet, således at vindmøllens effektivitet bliver bedst mulig, og vi får mest muligt ud af vindens energi. 31 Undersøger man i stedet vingeprofilets modstandskraft og dermed dragkoefficient, er det mere interessant at sammenligne med liftkoefficienten i stedet for indfaldsvinklen. Modstandskraften arbejder i samme retning som vindhastigheden og mod profilet, hvorimod løftekraften, som vektor ligger ortogonalt på modstandskraften som illustreret tidligere. Dragkoefficientens størrelse i forhold til liftkoefficientens giver et billede af hvor meget luftmodstand der opstår på bekostning af en given opdrift. 32 Dragkurven til højre illustrerer sammenhængen mellem lift og drag for et NACA23012-profil, og en lavere dragkoefficient indikerer en mindre modstand. Vindmøllens effektivitet og Betz lov De danske vindmøller udnytter ca. 25 % af det energiindhold, som er i vinden, og de er tilpasset til at fungere bedst ved en vindhastighed på 7-9 m/s, som er den vi oftest ser i Danmark. Ved denne hastighed har de cirka en energiudnyttelse på 50%. Hvis møllen var i stand til at hive al energi ud af vinden, ville vinden blive bremset helt og ikke kunne bevæge sig væk fra møllen. 33 Dette ville medføre, at der ikke vil kunne blive produceret ny energi, og der er altså en balance mellem møllens energiudnyttelsen og vindens opbremsning. I 1919 undersøgte den tyske fysiker Albert Betz den ideelle vindmølle og kom frem til, at vindmøllens maksimale effektivitet er, når den opfanger og 30 Mikkelsen, AeroNotesStudØvelse side 14 31 Aarhus Universitet s. 2 32 Op.cit. s. 3 33 Petersen s. 84
Sct. Knuds Gymnasium Side 10 af 34 udnytter 16 eller 59% af vindens energi. Dette kaldes Betz lov, men den kræver dog uafbrudte optimale forhold. 27 34 For at bestemme en vindmøllers effektivitet må man betragte vinden som en cylinderformet luftmængde indesluttet i et rør. Vindrøret har et tværsnitareal, A[m 2 ], lig med det areal vingerne bestryger. Vindmøllens opgave er helt basalt at omsætte mest muligt af luften i vindrørets kinetiske energi til elektrisk energi. Når vinden strømmer forbi rotoren og afgiver noget af sin kinetiske energi, vil den bremses, og dette gør, at luften er længere tid om at komme væk på den anden side af møllen. Vindrøret har derfor et større areal bag ved møllen end foran møllen, og vindhastigheden er højere foran møllen end efter møllen. Derfor må v f > v e. Billedet til højre illustrerer vindrørets form før og efter møllen. 35 Vindens reduktionsfaktor, β, angiver forholdet mellem vindhastighederne før og efter ved møllen og β = v e v f, hvor 0 β 1. Hvis β = 0 bremses vinden helt, og hvis β = 1, passerer vinden mere eller mindre uberørt forbi vindmøllen. Betz udledte, at vindens optimale reduktionsfaktor er, når vindhastigheden nedsættes til en tredjedel på den anden side af møllen. 36 Vindens energi Vindenergi betragtes som en vedvarende energikilde som følge af, at vinden er forårsaget af solens stråling. Så længe solen lever og sender sine stråler mod jorden, vil vindenergi være en udtømmelig energikilde. Når vinden blæser med hastigheden, v[m/s], og har massen, m[kg], er den kinetiske energi af luften givet ved: E = 1 m v2 2 Luften har massefylden, ρ [ kg m3] og vindrøret har volumen, V[L], hvor massen beregnes ved: m = ρ V. Energien kan da omskrives til: E = 1 ρ V v2 2 Effekten i vinden er P = E t. Man siger, at vinden har et flow, Q = P t kan omskrives til: P = 1 2 ρ V v2 V A v = 1 ρ A v3 2 = A v t = V A v. Effekten 34 Ibid. 35 Ingwersen s. 29 36 Petersen s. 84
Sct. Knuds Gymnasium Side 11 af 34 Vindens tværsnitsareal er lig med arealet af rotoren, og hvis rotordiameteren, D[m], måles, er A = π 4 D2, og effekten omskrives til: P = 1 2 π 4 D2 ρ v 3 = π 8 D2 ρ v 3 Ved denne teoretiske bestemmelse for vindens effekt fremgår det, at den energi, vinden afsætter i møllen pr. tid, afhænger af vindhastigheden i tredje potens. 37 Jeg har antaget, at der ikke går noget energi i form af termisk energi tabt til f.eks. friktionskræfter mellem luftmolekyler indbyrdes og ved sammenstødet med møllevingerne. Når møllevingerne får generatoren i nacellen til at rotere produceres en vekselstrøm og en vekselspæning. Vindmøllen producerer elektrisk energi med effekten: P el = U I, og ved at måle på denne kan man bestemme vindmøllens virkningsgrad, η: η = P el = U I π P vind 8 D2 ρ v 3 Eksperimentel undersøgelse af vindmøllens nyttevirkning For at undersøge effektens afhængighed af vindhastigheden samt vindmøllens virkningsgrad i forhold til vindhastigheden, har jeg opstillet en model af en vindmølle i baghaven derhjemme. Vindmøllen er beregnet til fritidssejlere eller campister, som kan lade batteriet til deres båds eller campingvogns elforsyning op. Selve forsøgsgangen er beskrevet på Bilag E med billeder og skitse af forsøgsopstilling, hvor jeg har målt på vindhastigheden, strømstyrken samt spændingsfaldet. Det har desværre ikke kunne lykkes at bestemme en værdi for vindmøllens nyttevirkning, hvilket skyldes en række fejlkilder ved dataopsamlingen bl.a. dårlige vejrforhold i form af lav vindhastighed, samt udfordringer med måleudstyret. Dette er grundigt beskrevet på Bilag H sammen med konkrete måleværdier, vejrforhold og komplikationer. Hovedkonklusionen fra forsøget er, at en lille vindmølle er meget afhængig af vejrforholdene, og det har givet et godt billede af hvor ustabil vindenergi kan være som energiforsyning. Med en lille vindmølle er det muligt at lagre energien i et batteri, når det blæser meget, og vindmøllen producerer mere strøm end et vi kan aftage. Elektrisk energi kan ikke pludseligt opstå eller forsvinde, og strømmen skal enten produceres og bruges på samme tid eller lagres. Skulle man lagre overskudsenergien fra en vindmølle i et batteri, kræver det kæmpe store batterier, som indtil nu ikke har været gode nok eller meget dyre at producere. 38 El-ingeniører arbejder derfor på at gøre det elektriske forbrug variabelt, så det kan justeres i forhold til den varierende energiproduktion. 39 Forskning i og udvikling af et sådan område kræver ikke mindst interesse, men som før nævnt også økonomiske tilskud og politisk prioritering. Det er derfor vigtigt, at interessen spredes ud både blandt politikere og forbrugere, eksempelvis gennem populærvidenskabelige artikler. 37 Udledning af effektformel baseret på Øvelsesvejledning for vindmølle s. 2 38 Grøn vision s. 47 39 Op.cit. s. 53
Sct. Knuds / Gymnasium Side 12 af 34 Artikel Vindenergi dækker i dag en større procentdel af vores elforbrug end nogensinde før. Vingerne suser rundt, og flere og flere danskere tilslutter sig konceptet grøn energi hos elselskaberne, mens andre vælger selv at investere i alternative energiformer på hjemmefronten. Hva ska ind? Sol og vind. Det gamle slogan fra 1970érne lever stadig i bedste velgående i mange danskeres mindset. Dengang var det en protest mod indførsel af atomkraft I Danmark, men også et håb om et alternativ til fossile brændstoffer som følge af den raserende oliekrise. Vi lever i en tid hvor oliekrisen er erstattet af klimakrisen, og ordene CO2-udslip og grøn energi har snart Har vinden vundet vores hjerter? Flere danskere investerer deres penge i grøn energi til fordel for dem selv og miljøet TEKST, ILLUSTRATION, FOTO: HELENE MELBYE berørt samtlige danske læber. Landet over ses der flere og flere danske husstande med solceller på tagene, og hos mange elselskaber kan man aktivt tilvælge grøn strøm i form af vindenergi uden omkostninger. Efter al den tid er det ikke underligt, at enkelte personer selv tager affære, og det har blandt andet ægteparret Joan og Anders Stenstrup gjort. For Da børnene begyndte at blive voksne, og der kom mere overskud på kontoen, ville Joan og Anders gerne investere deres penge, som så mange andre af deres jævnaldrende. Jeg tror, at selvom der er nogle materialeog installationsudgifter, skal man altid huske at vægte de økonomiske omkostninger i forhold til miljøets omkostninger. Nogle vil synes, at to til tre år er lang tid at vente, men når det gælder miljøet, er det vigtigt at tænke langsigtet. udtaler Anders, der længe har haft interesse i vedvarende energikilder, som solenergi. Parret har siden 2012 haft solceller på taget hjemme i Falsled og har erfaret, at med deres energiforbrug i en hustand på fire, nu kun tre, familiemed- I stedet for at handle med aktier, som genboen gjorde så flittigt, valgte vi at investere vores penge i miljøet Anders Stenstrup, civilingeniør og fritidssejler Vindmøller i Vollerslev, December 2015 1
Sct. Knuds / Gymnasium Side 13 af 34 men desværre klager nogle af vores naboer over støjen Anders Stenstrup lemmer har solcellerne tjent sig selv ind. Når vejret er godt, tjener familien penge på at sælge den overskydende strøm til det lokale elselskab. Mere vil have mere Efter succesen med solcelleinstallationen, vil Anders Stenstrup prøve kræfter med et andet naturfænomen. Vi bor et lille stykke ude på landet, og på markerne troner de elegante vindmøller. Jeg synes, at det er en fantastisk ting, men desværre klager nogle af vores naboer over støjen fra møllens maskineri. Jeg vil påstå, at støj er en relativ ting, og at det kun opfattes som støj, hvis det er noget man tænker negativt om. Når man bor tæt ved kysten larmer havet endnu mere end vindmøllerne, men kun få opfatter lyden af bølgernes brus som reel støj. Jeg vælger ikke at opfatte vindmøllernes dybe brummen som støj, det minder mig jo om at maskineriet er velfungerende og banker en masse god energi ind på miljøkontoen. Desuden kan man faktisk næsten ikke høre det, med mindre man står lige under vingerne. Anders er fritidssejler og har i år valgt at prøve kræfter med en mindre model af en vindmølle, som skal genere strøm til elforbruget på båden. Når Joan og Anders sejler mellem de danske kyster, bruger de blandt andet strøm til at varme båden op, men det er en mulig energikilde også for den enkelte forbruger Anders Stenstrup Vidste du at støjen fra en vindmølle hovedsageligt skyldes vingernes bevægelse igennem luften? Ifølge Miljøstyrelsen overdøves den susende lyd for det meste af blæst, ruskende træer eller larm fra biler, fordi moderne vindmøller i dag er særligt lydisolerede. også til at oplade telefoner, varme vand i elkedlen og belysning. Ved at montere vindmøllen på båden sparer de penge og er desuden sikret ikke at løbe tør for strøm midt ude på havet, hvor det ofte blæser en del mere end på land. Anders har først testet vindmøllen hjemme i haven, og selvom en lille vindmølle kun producerer en mindre mængde strøm, siger han: Det er interessant at se, at vindmøllen rent faktisk virker herhjemme. Den bidrager til en elproduktion, og dette viser, at det er en mulig energikilde også for den enkelte forbruger. Joan, der er uddannet sygeplejerske bekymrer sig om miljøet og den globale opvarmning. Hun interesserer sig også for den såkaldte grønne Foto af vindmølleopsætningen i haven hos Joan og Anders Stenstrup. Vindmøllen måler 51 cm i diameter. 2
/ Sct. Knuds Gymnasium Side 14 af 34 energi. Selvom det er Anders, der har mest forstand på installationerne og beregningerne, har den grønne energiform stadig min interesse. Jeg synes, at det er fantastisk, at vi ved at investere i solceller og vindenergi kan aflaste vores bankokonto, men også den store miljøkonto. Desuden er jeg meget fascineret af, at man kan lave strøm bare fordi det blæser. Vinden er jo altid gratis. Blæsten kan man ikke få at se Når man siger, at det blæser, er det i virkeligheden forskellige gasarter og små usynlige luftmolekyler, der bevæger sig fra et sted til et andet, fordi der enten er varmere eller koldere. Når vinden stryger hen over landskabet støder den på forhindringer, som bremser den. Det kender vi selv fra sommermånederne, hvor vi kan sidde på terrassen i blæsevejr, uden at vores ting blæser væk, fordi vi sidder i læ af huset, som bremser vinden. Men selvom haven er omkranset af træer, ser vi stadig efterårets røde og gule blade hvirvle rundt i. Det er fordi, vinden bliver turbulent, når den blæser hen over forhindringer eller en ru overflade. Turbulens betyder, at vindhastigheden og -retningen bliver skiftende. Luften indeholder altså hvirvler, som løfter bladene fra jorden. Derfor er det vigtigt, at vindmøller er placeret i et område med få forhindringer i landskabet eller meget højt oppe i luften. Som f.eks. midt på en mark eller ude på havet. Vidste du at de danske vindmøller sætter verdensrekorder? I 2014 producerede de danske vindmøller strøm svarende til 39,1 % af det samlede elforbrug sammenlignet med de 18,8 % i 2004. Det er over en fordobling på 10 år, og regeringens mål for 2020 er, at vindenergi skal dække halvdelen af forbruget. I januar sidste år dækkede vindmøllestrømproduktionen 61,4 %, hvilket var en rekordmåned og grundet et usædvanligt blæsevejr. Men udviklingen skyldes ikke mere blæsevejr eller storme som Allan, Bodil, Gorm eller Helga. Vindmøllerne er blevet effektiviseret, og der er mange flere af dem. Her gælder ordsproget om de små bække desuden, for hver vindmølle bidrager sit til at stoppe den globale opvarmning, og den danske model vækker nysgerrighed hos andre lande. TEGNING: HELENE MELBYE 3
Sct. Knuds / Gymnasium Side 15 af 34 Når vingerne er i stødet De hvide kæmper er efterhånden integreret i det danske landskab, hvor de står blandt kornmarker og bøgetræer. I mange år har vi været frontløbere for produktionen af vindenergi, og den omtale ligger godt i munden på de fleste danskere. Staten sætter årligt et pengebeløb af til udvikling af vindmøllerne, så de bliver endnu mere effektive. De moderne vindmøllevinger er nemlig formet særligt strømlinede, så de bedre kan udnytte vindens energi. De ligner faktisk flyvinger, og man siger at de er aerodynamiske, når de løftes rundt af vinden. Man kan forestille sig luftmolekylerne i vinden, der rammer vindmøllevingerne, som en billardkugle, der støder ind i en anden kugle. Kuglen, der bliver ramt, kan enten ryge ligeud eller skråt og er altså afhængig af den vinkel, som den anden kugle kommer fra. Hvis kuglen bliver ramt meget skævt, ryger den sjælendt særligt langt og hurtigt frem på bordet. Det samme gælder vindmøllevingerne i forhold til vindretningen. Kun få har lagt mærke til det, men vindmøller drejer rundt om sig selv for at tilpasse sig vindretningen og vindhastigheden. Vingerne skal stå stik mod vinden for at opnå den bedst mulige effekt, når det blæser. Jo mere det blæser, Hvorfor er den danske vind en vinder? Når en vindmølle producerer strøm, handler det ikke kun om, hvor meget det blæser. I Danmark oplever vi særligt gode forhold til at opsætte vindmøller, fordi vi har: et køligere klima meget kyst og meget vind, men ikke orkaner store landbrugsområder med åbne og flade marker, hvor vindmøllerne kan placeres en politisk velvilje til at indføre vedtagelser om at videreudvikle på teknologien jo mere energi kan vindmøllerne producere. Men det må heller ikke blæse for meget, så går de i stykker. Derfor ser man nogle gange vindmøller stå helt stille, selvom det blæser en halv pelikan. Du må jo heller ikke støde for hårdt til en billardkugle, så ryger den ud over bordet! Dvs. at en vindmølle fungerer bedst, når vinden har en bestemt indblæsningsvinkel og ved en bestemt vindhastighed. En lille vindmølle som den, Joan og Anders har monteret, er meget afhængig af vindens hastighed, og den skal helst overstige 3 m/s for at producere en strøm. 4
/ Sct. Knuds Gymnasium Side 16 af 34 Vindmøllerne er altså rigtigt gode til at producere strøm også på de forkerte tidspunkter Hånd i hånd med solenergi Vindenergi har vundet mange af de danske politikeres hjerter, og vi danskere kan godt lide at høre om, at Danmark har tilegnet sig en frontposition. Men der er også en bagside af medaljen. Nogle oplever vindmøllernes placering i landskabet som en chikane, fordi de skygger, tager udsigten eller støjforurener. Udover dette er det et problem, at vi endnu ikke har udviklet den rette teknologi til at udnytte vindens fulde potentiale. Vindenergi er gennemgående et godt supplement til solenergi, da det i Danmark blæser mest i de måneder hvor solen skinner mindst, og hvor vores energibehov er størst. Til tider genererer vindmøllerne endda så meget strøm, at vi bliver nødt til at give strømmen gratis til vores nabolande, fordi vi ikke selv kan bruge det hele. Vindmøllerne er altså rigtigt gode til at producere strøm også på de forkerte tidspunkter. Med dette sagt, er det et problem, fordi vindmøllerne genererer en masse strøm om natten, hvor elforbruget er væsentlig lavere end i dagtimerne. Vi har endnu ikke fundet en ideel metode at lagre strømmen på, og derfor må vi stoppe møllerne en gang i mellem eller ud- Du kan gøre en forskel og aflaste miljøet. Vindenergi er en ren energiform, idet der ikke er noget affald som f.eks. CO2-udledning eller radioaktivt affald. På https://www.natur-energi.dk kan du gratis skifte traditionel til grøn strøm fra de danske vindmøller. Kig desuden efter mærket Windmade som indikerer, når en vare er produceret med vindenergi. Besøg evt. https://www.windmade.org og læs mere. byde energien til andre lande. Vi kan jo desværre ikke opsamle vinden og gemme den til senere, som nordmændene kan med deres vandkraft. Vindenergi er i længden utilregneligt, og vi er meget afhængige af meteorologernes vejrudsigt. Forhåbentligt vil vi inden for en nær fremtid have udviklet metoder, så vi kan udvinde størstedelen af vores energi fra de roterende vinger. Energiformen er smart, og vinden ikke mindst gratis, men det er ikke gratis at opstille og vedligeholde vindmøller. Dvs. at det kræver opbakning fra politikere og borgere for at kunne blive udnyttet fuldt ud, men til gengæld er vi sikret en vedvarende energikilde, som ikke forurener miljøet. Et batteri skal være kæmpe stort for at kunne lagre strøm fra solog vindenergi. Det er meget dyrt at producere, men forskere arbejder på højtryk med at udvikle mere effektive batterier. TEGNING: HELENE MELBYE 5
Sct. Knuds Gymnasium Side 17 af 34 Metaafsnit Når vi mennesker kommunikerer indbyrdes med hinanden, analyserer vi bevidst eller ubevidst vores modtager og forsøger at gennemskue netop deres udgangspunkt for at kunne forstå vores budskab. Denne egenskab er især fordelagtig, hvis vi har noget særligt på hjertet, men også en forudsætning for at vi kan forstå hinanden. Vi skal altså forsøge at bygge bro mellem to udgangspunkter og møde hinanden et sted i mellem. Afsender og modtager mødes ikke nødvendigves på midten, og inden for det populærvidenskabelige område vil forholdet oftest være asymmetrisk og vægte stærkt mod formidleren, der har en dybtgående indsigt inden for et felt. Som gymnasieelev, der har arbejdet med et særskilt område, har jeg rollen som den oplysende ekspert. 40 Det er min opgave at tilrettelægge netop dette stof, så det bedst muligt imødekommer målgruppen, som er den typiske læser af af FDB-forbrugerbladet Samvirke. Om forbrugerbladet kan man læse, at læserprofilen er den almindelige voksne dansker med en lille overvægt af kvinder (ca. 60%). 41 Med udgangspunkt i det traditionelle kommunikationspentagon, har jeg taget stilling til: emnet, afsenderen, modtageren, sproget og omstændighederne. 42 Dele af kommunikationsmodellens elementer vil hænge sammen eller supplere hinanden, men umiddelbart er jeg afsenderen med en særlig indsigt, fordi jeg er SRP-studerende og skal formidle en viden om et særligt emne, som er vindenergi. Dele af emnet er på et højt fagligt niveau, men fordi modtageren, som ifølge Samvirkes læserprofil er den almindelige voksne dansker, ikke forventes at være fagmand, er forholdet asymmetrisk. Omstændighederne er en mulig offentliggørelse i det populærvidenskabelige tidsskrift Samvirke, som selv har definereret deres målgruppe som følge af en fast månedlig læserskare. Jeg har tilpasset sproget til modtageren, fordi jeg har en viden og ønsker at gøre læserne klogere, men også at underholde, da emnet behandles i en populært formidlende kontekst. For at tilpasse en artikeludformning til den almindelige voksne dansker og samtidig 1,1 millioner læsere, må emnet være rimeligt bredt og jordnært, hvis det skal kunne vække interesse og formidle et budskab. 43 Desuden kan man læse, at Samvirke er Danmarks mest læste magasin, der har fokus på forbrug i bred forstand. Det beskriver uafhængigt danskernes daglige liv og forbrug med sjove og skæve historier samt giver gode tips til hverdagen. 44 Dvs. at et teoretisk og fagspecifikt emne må konkretiseres og skabe nærvær for en læser, der tænker i baner som Hvordan giver det mening for mig?. Jeg har i mine overvejelser om artiklens kommunikationssituation måtte stille spørgsmålet: Hvordan bliver et emne, der overordnet omhandler de aerodynamiske egenskaber for et vingeprofil og en vindmølles virkemåde, interessant, når Fru. Jørgensen søndag morgen drikker sin kaffe og skal tage stilling til, om hun har lyst til at bruge sin tid på at læse Samvirke? 40 Rienecker, Skriv en artikel s. 95 41 FrontMedia, http://frontmedia.dk/medier/samvirke/ - Besøgt d. 16.12.2015 42 Jf. Ciceros kommunikationsmodel 43 Karsten Kolding, Samvirke: (telefoninterview 10.12.2015) 44 FrontMedia
Sct. Knuds Gymnasium Side 18 af 34 I den sammenhæng har jeg taget udgangspunkt i SWOT-analysemodellen, hvor man fokuserer på et emnes styrker, svagheder, muligheder og trusler 45 i forhold til det faglige og den velkendte målgruppe. For at kunne foretage en SWOT-analyse af et særligt emne eller en vinkel, må jeg derfor også indsnævre det budskab, jeg vil formidle. Hvad har jeg på hjertet? Svaret som jeg er kommet frem til er at det, jeg gerne vil fortælle, er, hvordan en vindmølle virker, og hvordan vindenergi kan gavne miljøet. 46 Det overordnede emne for den formidlende artikel 47 endte ud i behandlingen af temaet vindenergi, som i sig selv er et ret bredt og diffust område. Emnets faglige styrker spiller ind, når jeg med en analogi sammenligner en vindmølles virkemåde med et stød til en velkendt billardkugle på fjerde side af artiklen: Man kan forestille sig luftmolekylerne i vinden, der rammer vindmøllerne, som en billardkugle, der støder ind i en anden kugle. Billedet skal aktivere læsernes spontane forestilling og gøre et abstrakt og ellers usynligt fænomen, som vindens energi, konkret. Når jeg videre skriver, Hvis kuglen bliver ramt meget skævt, ryger den sjælendt særligt langt eller hurtigt frem på bordet, tager billedet af et dårligt stød til en billardkugle, der knap nok triller videre afsæt i min oprindelige undersøgelse på DTU, hvor jeg undersøgte vindmøllens løftekraft i forhold til vindens indfaldsblæsningsvinkel. I forbindelse med det eksperimentelle arbejde kom jeg frem til, at vingerne staller ved en for stor indfaldsvinkel. For at træde et par skridt ned ad abstraktionsstigen har jeg udeladt enkelte fagspecifikke begreber som f.eks. vingeprofil, løftekraft, stall og vindens strømning, da det indforståede fagsprog er dårligt sprog, når man skal skrive til mennesker uden for den snævre faglige kreds. 48 Derimod har jeg valgt at sprede enkelte relevante begreber som aerodynamiske, indfaldsvinkel og effektive på hele artikelside 4 for at undgå, at sproget bliver for kompakt og utilnærmeligt. Desuden brydes informationstætheden også af billedtekster og faktabokse, som muliggør at fortælle om emner, brødteksten ikke har kunne rumme. F.eks. at Joan og Anders vindmølle, beskrevet på side 2, måler 51cm i diameter, og at et batteri, illustreret på artikelside 5, skulle være kæmpe stort for at kunne lagre energi fra vedvarende energikilder som sol- og vindenergi. Vidste du -faktaboksen på artikelside 3 præsenterer en række statistikker om Danmarks strømproduktion, der i realiteten ikke er nævnt i fysikafsnittet, men en nødvendighed for væsentligheden, som øger artiklens grad af troværdighed, men også letter trykket fra brødteksten. Rent fagligt bakkes emnet også op, af den fiktive Joan og Anders, der har opstillet netop samme vindmølle som den, jeg har målt på hjemme. Det faglige input i artiklen er her, at vindmøllens bedste nyttevirkning fremkommer ved en bestemt vindhastighed, som jeg har undersøgt og beskrevet delvist i fysikafsnittet og delvist på Bilag H, men også i selve artiklen: En lille vindmølle som den, Joan og Anders har monteret, er meget afhængig af vindens hastighed, og den skal helst overstige 3 m/s for at producere en strøm.. 49 Jeg har opsplittet og oversat ordet nyttevirkning, som er 45 jf. Strengths, Weaknesses, Opportunities, Threads fra ordet SWOT 46 Se SWOT-analyse Bilag F 47 Rienecker s. 16 48 Petersen, Skriv så det fænger s.? 49 Melbye, Har vinden vundet vores hjerter? artikel s. 4
Sct. Knuds Gymnasium Side 19 af 34 beskrevet i fysikafsnittet til virker bedst for at tildele læserne forståelsesredskaber ved at oversætte fagligheden til deres univers og på den måde gøre sproget mere appetitligt og letlæseligt. 50 Mulighederne for emnet i konteksten kan listes op, eftersom netop emnet vindenergi som alternativ energiform er meget relevant i dag, hvor den globale opvarmning fylder meget på politikernes dagsorden og derfor også i nyhederne. Emnet er derfor interessant at belyse og har relevans for flere af Samvirkes læsere, fordi: vindmøller sender et politisk korrekt signal, det er et spørgsmål om livsstil, og forbrugerene kan se aspektet som en investeringssag, hvor de kan spare penge på elregningen og samtidigt redde miljøet. Desuden skaber emnet mulighed for et internationalt perspektiv, eftersom Danmark er frontløber for mange tiltag omhandlende grøn energi, hvilket jeg har understreget med nogle procenter og beskrevet i: Hvorfor er den danske vind en vinder? -boksen som rygdækning for påstanden om, at vi danskere er så gode, som vi godt kan lide at høre, at vi er. 51 Dvs. at når fru Jørgensen læser artiklen om vindenergi, får hun tildelt muligheden for at blive et bedre menneske. Artiklen er nærmest en public service ved at give læserne muligheden for selv at tage stilling til at vælge grøn energi hos elselskabet, som beskrevet i du kan gøre en forskel - faktaboksen på artiklens sidste side. Fru Jørgensen kan, måske med nostalgi, tænke tilbage til sin ungdom og på oliekrisens medieomtale, når hun læser sloganet hva ska ind? sol og vind 52. Fru Jørgensen kan føle fædrelandsstolthed, når hun læser, at danskere tager initiativ, og at de danske vindmøller sætter verdensrekorder. Fru Jørgensen kan altså både læse den aktuelle nyhed, om at vindenergi udnyttes bedre og i højere grad end nogensinde før, men også identificere sig med det fiktive ægtepar, der har taget stilling til netop deres rolle i klimakrisen, som vedrører os alle. Artiklen rummer både væsentlighed, aktualitet og identifikation, som er de nyhedskriterier, som Samvirkes redaktion vægter højest. 53 Havde artiklens emne og vinkel været valgt ud fra kriteriet konflikt, kunne man tage afsæt i debatten om vindmøllernes chikane, men der har jeg draget fordel af SWOT-analyseredskabet og konkluderet, at der var flere svagheder en styrker ift. den faglige formidling. Det valgte emnes svagheder er dog ikke ikkeeksisterende, og for at skabe den brede forståelse og skabe identifikationsgrundlaget, har jeg måtte udelade vigtige dele fra fysikafsnittet omhandlende en vindmølles funktionalitet, som f.eks. drag-kraften, vindmøllens komponenter, og luftens strømning, men også om energien i vinden og vindmøllens effekt. Fysikafsnittet omhandlende vindmøllens aerodynamik og begrebet ruhedsfaktor er sammenslået og i artiklen oversat til derfor er det vigtigt, at vindmøller er placeret i et område med få forhindringer i landskabet eller meget højt oppe i luften. 54 Dette er groft simplificeret, men hiver teksten længere ned ad abstraktionsstigen og dermed tættere på jorden og ned i den eftertragtede hverdagsøjenhøjde. Truslerne for teksten er, at et dybdeborende emne hurtigt bliver for teoretisk og irrelevant for en bred og uensartet læserskare, hvis motivation for at læse artiklen udelukkende er lysbetonet 55. 50 Rienecker s. 93 51 Bredsdorff, Magnus:»Tordnende succes«: 39 procent af strømmen kom fra vindmøller i 2014. I: (Ingeniøren) 52 Melbye artikel s. 1 53 Kolding(telefoninterview) 54 Melbye artikel s. 3 55 Rienecker s. 93
Sct. Knuds Gymnasium Side 20 af 34 Artiklens endelige budskab opfordrer Samvirkes læsere - og dermed flere forbrugere - til at tage stilling til muligheden for at investere i vedvarende energikilder med den hensigt, at de selv kan spare nogle penge eller omkostningsfrit aflaste miljøet. Case-historien om ægteparret Joan og Anders Stenstrup er inspireret af min mors onkel og tante med samme fornavne, der rent faktisk er fritidssejlere og netop selv har prøvet kræfter med den lille vindmølle. Baggrunden for valget af den personlige fortælling som formidlingsmodel ligger til grunde i ønsket om at skabe en rolle i historien, som bevirker et nærvær og konkretiserer emnet, så det ikke blot er en redegørelse af nogle forsøgsresultater eller vindmøllers virkemåde. Vi lever i en digitaliseret verden, og hvis Samvirkes læsere ønsker at finde information om en vindmølles opbygning, kan de på lige fod med alle andre google emnet og opnå 20.400 søgeresultater på blot 0,62 sekunder. 56 Den stærke personlige fortælling driver om muligt læserne hen til emner, som de eller ikke ville have undersøgt, og forlagsdirektør for Politikens hånd- og fagbøger, Lene Juul siger, Man kan stadig godt tage et svært emne op, hvis det formidles af en stærk fortælling, gerne personbåret, så historien får noget kød og blod. 57 Udover at lokke med kød og blod i artiklens indre opbygning, forsøger jeg først og fremmest, at lokke Samvirkes læsere til at læse netop denne artikel - og lade sig overbevise af budskabet - med en grafisk opsætning som præger artiklens ydre komposition. En formidlingsartikel bærer på et kreativt frirum og ved siden af et sanseligt billedsprog med nuancerede adjektiver, som de hvide kæmper, troner de elegante vindmøller, røde og gule blade 58 understøttes dele af ordbillederne gennemgående af grafiske illustrationer og fotografier. Eksempelvis skal det store og flotte fotografi af de to vindmøller, der troner på marken på side 1, skabe blikfang for artiklen og vække læsernes appetit. Artiklens rubrik er placeret centralt og typograferet i en anden font samt stillet som et læserinddragende spørgsmål med den fængende allitteration i vinden vundet vores. Underrubrikken uddyber kort artiklens pointe og både den og manchetten indeholder emotive begreber som nogensinde, flere danskere, investere penge, fordel, miljøet, grøn energi og forbrug. De er alle meget hverdagsrelaterede og derfor væsentlige i forhold til at vække interesse hos målgruppen for et blad, der beskriver danskernes daglige liv ( ) samt giver gode tips til hverdagen 59 Især emnerne: penge, forbrug, og miljø er ofte relevant hverdagsindhold for målgruppen den almindelige voksne dansker. Artiklens billeder og faktabokse er gennemgående farvet i blå og grønne nuancer, som symboliserer et frisk input, grøn energi, moderne teknologi og den gode nyhed. Illustrationen af blæsten, der puster hen over et hus i landskabet og får en vindmølle til at dreje rundt, er et modspil til mellemrubrikken blæsten kan man ikke få at se 60, som samtidigt er navnet på en klassisk børnesang. Den barnlige tegning illustrerer og understøtter begrebet turbulens, som forklares i brødteksten, og samler på humoristisk vis op på Anders Stenstrups pointer om, at vindmøller troner i landskabet og 56 Google søgeresultat af en vindmølles opbygning 57 Hansen, 1-0 til den personlige fortælling 58 hhv. artikelside 4, 3 og 2 59 FrontMedia 60 Melbye, artikel s. 3
Sct. Knuds Gymnasium Side 21 af 34 ikke larmer i hans ører. Derfor er blæsten iført en royal krone, og vindmøllen udsender noder, som var det sød musik. Illustrationen kunne være meget typisk for en artikel i Samvirke og især for det store månedlige tema, som behandles grundigt på en let læselig og inspirerende måde. 61 De øvrige mellemrubrikker skaber overblik og signalerer, at der sker et skift i fortællingen. 62 De bærer gennemgående præg af halvdøde metaforer, som legende giver et hint om indholdet af næste tekstafsnit f.eks. Når vingerne er i stødet. 63 Det månedlige tema rummer en kreativ frihed, som præges af et dynamisk layout med mange billeder og bokse. Læserne er udelukkende lystbetonede, og det må ikke blive kedeligt at læse en længere artikel. 64 Derfor har jeg i artiklens ydre opbygning valgt at skifte mellem antallet af kolonner artiklen igennem samt indsætte faktabokse med overskrifter, som er skrevet i 2. personsfortæller, der skal fange netop dig som læser. Citater bryder med teksten på siden og understreger vigtige pointer, som i alle tilfælde, undtagen på artikelside 1, er trukket ud ad selve brødteksten. De er markeret med rød og ét stort citationstegn inspireret af temaartiklen fra dette års novemberudgivelse af Samvirke. 65 Artiklens indre opbygning slutter stik imod nyhedstrekantens budskab om det vigtigste først af med du kan gøre en forskel -faktaboksen, der informerer om, hvordan læserne kan bidrage med at aflaste miljøet eller selv tage stilling - lige som hovedpersonerne har gjort det. Dette budskab må gerne være noget af det sidste læserne husker, og artiklen er derfor en anbefaling og opfordrer positivt til, at vi alle bidrager med at aflaste miljøet ved at bakke op om vindenergi som vedvarende energikilde. Konklusion Vores behov for energi og klimaproblematikken vil uundgåeligt have konsekvenser for os alle, hvis ikke vi ændrer vores livsstil eller videreudvikler udnyttelsen af vedvarende energikilder, så populærvidenskabelige artikler er i højeste grad et vigtigt redskab til at formidle viden, men også til at præsentere forskning eller vække interesse. Skulle man have inddraget det medieomtalte perspektiv omhandlende vindmøllers støjforurening, kunne det være interessant til videre undersøgelse at foretage støjmålinger på nogle vindmøller og inkludere fænomenet i fysikafsnittet. Desuden ville det være væsentligt i højere grad at inddrage økonomien i vindenergi sammenholdt med andre energiformer, hvilket formentlig vil vise, at det er dyrere at producere vindmøllestrøm. Her ville den formidlingsmæssige opgave bestå i at skabe konsensus blandt den brede befolkning, også som følge af, at vinderenergi er meget afhængig at vores vejrforhold. Dette fik jeg i allerhøjeste grad bekræftet ved undersøgelsen af vindmøllens virkningsgrad samt ved bestemmelsen af den kritiske indblæsningsvinkel for samme vingeprofil, men ved to forskellige vindhastigheder. Vinden med en hastighed på 20 m/s medførte en kritisk vinkel liggende i intervallet 6 til 9, og med en fordoblet hastighed på 40 m/s lå den kritiske vinkel mellem 12 og 15. Jeg har i denne opgave fået et indblik, 61 FrontMedia 62 Tverskov, Sådan gør journalister s. 12 63 Melbye, artikel s. 4 64 se Bilag G med Samvirkes Tema-artikel fra november 2015 65 ibid.
Sct. Knuds Gymnasium Side 22 af 34 i hvordan vindmøller virker, men også i hvor vigtigt det er at analysere sin målgruppe, inden man formidler viden eller et budskab.
Sct. Knuds Gymnasium Side 23 af 34 Litteraturliste Bøger Ingwersen, Jens m.f. 1992. Fysik i blæst. Systime. Nissen, Povl-Otto m.f. 2009. Wind Power The Dansih way. The Poul la Cour Foundation - Askov Petersen, Flemming m.f. 2007. Det danske vindmølleeventyr Vindkraft i Danmark i 150 år. Fysikforlaget. 1. Oplag Petersen, Teddy. 2011. Skriv så det fænger. Frydenlund. 2. Udgave. Rienecker, Lotte m.fl, 2008, Skriv en artikel om videnskabelige, faglige og formidlende artikler, Forlaget Samfundslitteratur Tverskov, Eva. 2008. Sådan gør journalister.ajour. 1. Udgave, Noter og internetadresser Aarhus Universitet Ingeniørhøjskolen: OPDRIFT OG MODSTAND PÅ ET VINGEPRO- FIL. Udgivet af Thor Paulli Andersen. Internetadresse: http://scitech.au.dk/filead- min/site_files/gymnasie/besøgsservice/studieretning/opdrift_og_modstand_paa_et_vinge- profil_-_nyeste_version.pdf - Besøgt d. 16.12.2015 (Internet) EMU, Et Grøn Vision undervisningsmateriale - Vindenergi, internetadresse: http://www.emu.dk/sites/default/files/gronvision_vindenergi.pdf - besøgt d. 16.12.2015 FrontMedia: Samvirke. Udgivet af David Wall. Internetadresse: http://frontmedia.dk/medier/samvirke/ - Besøgt d. 16.12.2015 (Internet) Robert Mikkelsen, noter om Fluid Mekanik og Aerodynamik, seniorforsker ved Danmarks Tekniske Universitet (privat) 11.11.2015, rm@mek.dtu.dk Robert Mikkelsen, seniorforsker (privat), Noter til aeroplanlære. Afdelingen for fluid Mekanik, Bygning 404, DTH, DK, 2800 Lyngby, trykkeår 1993 Artikler Bredsdorff, Magnus:»Tordnende succes«: 39 procent af strømmen kom fra vindmøller i 2014. I: Ingeniøren, 06.01.2015, s. 1. Internetadresse: http://ing.dk/artikel/tordnende-succes-39-procent-af-stroemmen-kom-fra-vindmoeller-i-2014-173290 Besøgt d. 20.12.2015 (Artikel) Hansen, Carsten : 1-0 til den personlige fortælling. I: Politiken, 23.11.2015, Sektion: Kultur, s. 1 (Artikel) Mygind, Liv: Vrede giver mål. I: Samvirke, 30.10.2015, s. 13 (Artikel)
Sct. Knuds Gymnasium Side 24 af 34 Øvelsesvejledninger Øvelsesvejledning for vindmølle http://elevweb.ucholstebro.dk/jhp/2007a-fysika/, udleveret af lektor Jan Geertsen, Sct. Knuds Gymnasium Øvelsesvejledning: Vindmøllens nyttevirkning, Udleveret af lektor Jan Geertsen, Sct. Knuds Gymnasium: https://www.google.dk/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0ahuke wjlhrciqonjahwdyw8khtncbccqfggtmae&url=https%3a%2f%2forbitbhtx.sy- stime.dk%2ffileadmin%2findhold%2fdocs%2f0381_projekt_vindmoellens_nyttevirk- ning.doc&usg=afqjcng37jmm9e8bl1-7dkz0qlzceamiba&sig2=xtrf_dhnzugfmse- KMG-Igw (Link til dokument: besøgt 20.12.2015) Privat kommunikation Karsten Kolding, chefredaktør Samvirke, (Telefoninterview) 10.12.2015
Sct. Knuds Gymnasium Side 25 af 34 Bilag A Udvalgte vingeprofiler med forskellig udformning. NACA-profilet er traditionelt for den moderne vindmølle. 66 Bilag B Foto af NACA64015 airfoil-vingeprofil fra Danmarks Tekniske Universitet. 11.11.2015 66 Mikkelsen noter Fluid Mekanik og Aerodynamik s. 18
Sct. Knuds Gymnasium Side 26 af 34 Bilag C Øvelsesbeskrivelse: I vindtunnellen på billedet ovenfor monterede jeg en kraftmåler og kalibrerede kraftmåleren også kaldet gagen - ved at hænge lodder med en kendt masse i en trisse bundet til måleren. Efterfølgende målte jeg løftekraften på et todimensionelt vingeprofil med forskellige indfaldsvinkler ved vindhastigheder på hhv. 20 m/s og 40 m/s. Større version af Tabel I nedenfor. De røde tal markerer, hvor man kan aflæse, at løftekraften aftager. Indenfor det interval overstiges den kritiske vinkel, hvor vingen begynder at stalle. Målt løftekraft for NACA64015 airfoil-vingeprofil Indfaldsvinkel \ vindhastighed 20 m/s 40 m/s -15-1,5 N -8,1 N -10 2,4 N 8,2 N -5 6,6 N 26,7 N 0 10,8 N 43,7 N 3 13,0 N 51,5 N 6 14,8 N 57,7 N 9 9,0 N 62,0 N 12 8,2 N 64,8 N 15 8,8 N 64,2 N Beregninger af liftkoefficienten I LoggerPro for hhv. V=20 m/s og v= 40 m/s
Sct. Knuds Gymnasium Side 27 af 34 Funktionsudtrykket for C_lift i calculated column ved v=20 m/s: Bilag D Idealgasligningen Den mest almindelige form af gasligningen: pv = PRT Hvor p er trykket[pa], V er gassens volumen[l], n= stofmængde[mol], R= gaskonstanten(=8,314 J, T= temperaturen[k] K mol Vi kender ikke rumfanget af luften, derfor omskrives ligningen til en alternativ form, hvor jeg indsætter densiteten: Jeg erstatter n og får: Og deraf kommer udledningen 67 : n = m M og ρ = m V PV = m R RT P = ρ M M T R M = R specifik P = ρ R specifik T 67 https://en.wikipedia.org/wiki/ideal_gas_law
Sct. Knuds Gymnasium Side 28 af 34 Bilag E Øvelsesbeskrivelse og forsøgsopstilling af Forsøg med bestemmelse af vindmøllens nyttevirkning. For at kunne undersøge effektens afhængighed af vindhastigheden samt vindmøllens nyttevirkning i forhold til vindhastigheden har jeg har koblet vindmøllen til et 12 V batteri og måler på vindhastigheden, vekselspændingen og vekselstrømmen, så jeg kan beregne effekten af møllen og vinden. Jeg har indstillet dataopsamlingen til at foretage en måling pr. minut i x timer, som skulle give mig et nogenlunde realistisk bud på vindmøllens energiomsætning i forhold til at bruge vindmøllen som elforsyning i praksis på en båd. Foto af forsøgsopstillingen, måleapperaterne er monteret i kassen under presseningen for at undgå vandskader. Nærbillede af vindmøllen i stillestående. Modellen er en Rutland 504. Skitse af forsøgsopstilling. Anemometeret måler vindhastigheden i samme retning som møllen. Vekselspændingsmåleren er koblet i parallelforbindelse og Amperemeteret er koblet i serie til batteriet. De tre målere er tilsluttet en LabQuest-minicomputer, som opsamler og gemmer de målte data.
Sct. Knuds Gymnasium Side 29 af 34 Bilag F Jeg har bl.a. brugt SWOT-analysen som idéværksted for udarbejdelsen af den populærvidenskabelige artikel. Jeg har brainstormet og foretaget en SWOT-analyse af bl.a. emnet Vindenergi. Det, jeg gerne vil fortælle, er, hvordan en vindmølle generelt virker og gavner os ift. miljøet og især klimakrisen, som er et relevant og omtalt problem. For den enkelte person og læser, er det interessant, om man kan blive bedre til at udnytte vindenergi, spare penge i fremtiden og samtidigt aflaste miljøets CO2-påvirkning, til trods for de omkostninger og problemer møllerne også bringer med sig. Vinkel 1. Vindmøller er smarte, men kan vi få den med hjem? Løsningforslaget formuleret (indsæt: Emne, vinkel, målgruppe): Vindenergi, Kan vindmøller blive hvermandseje?, Samvirke Styrker ved emnet rent fagligt/ hvad gør emnet særligt interessant rent fagligt? Forklare hvordan en vindmølle overordnet virker og undersøge vindmøllens nyttevirkning Forsøg med minivindmølle hjemme, måle på effekten (U og I) og vindhastigheden (anemometer) DTU-forsøg, indblæsningsvinkel og løftekraft Svagheder ved emnet rent fagligt/ er der dele ved emnet, som er svært tilgængeligt/tungt at forstå? Hvilke? Noget af materialet fra DTU er lidt uoverskueligt Er der nok fysik/svært nok? Er teori omkring lyden bag ved rotoren og vingerne tilgængeligt? Muligheder for emnet i konteksten/ Hvilke muligheder er der for interessante vinkler på emnet i en populærvidenskabelig sammenhæng? Hvilke dele af emnet har relevans/kan gøres relevante for målgruppen/målgruppens hverdag? Hvordan? Emnet kan være interessant at belyse, fordi vindmøller er politisk korrekte Brugeren kan spare penge på strøm Interessant, fordi folk måske kan spare penge på elregningen OG redde miljøet Samfundets omkostninger ved kul i forhold til vindmøller, som er bæredygtige Danmark er frontløber, og det kan de fleste godt lide at høre Mulighed for mange faktabokse Trusler for teksten i konteksten/ Hvad kan vanskeliggøre den populærvidenskabelige formidling af emnet med den valgte vinkel? Hvordan kan disse evt. overkommes/elimineres? Det kan være svært at gøre relevant nok for en større menneskeprofil. Der er en del problemer, ift. hvor realistisk det er at have en vindmølle hjemme Store omkostninger? Og støjforurening og de tager udsigt Er det for irrelevant eller teoretisk for den almene læser? Bagsiden, vindmølleparkerne tager udsigten, delene skal transporteres, og mange klager over støjen Strengths/styrker Weaknesses/svagheder- Opportunities/muligheder Threats/trusler
Sct. Knuds Gymnasium Side 30 af 34 Bilag G Layouteksempel fra udsnit af Samvirkes temaartikel fra november. Under ses side 2 i artiklen med den store og humoristiske tegning samt et eksempel på et citat, der er skrevet med rød og bryder teksten. Se i øvrigt side 5(på næste side)
Sct. Knuds Gymnasium Side 31 af 34 På side 5 i artiklen ses den røde Temaboks samt et autentisk foto. Desuden er siden opdelt af forskelligartede teksttyper (rød skrift i boks i to kolonner, og sort skrift i en kolonne), som giver siden et dynamisk udtryk.
Sct. Knuds Gymnasium Side 32 af 34 Bilag H Eksperimental undersøgelse af virkningsgrad Målte værdier toradag d. 17.12.2015 (tabel III) Rotordiameter, D 51 cm 0,51 m Barometertryk, p 0 1010 mb 1010 hpa Temperatur, T 7 C 280,15 K Ud fra måleresultaterne i ovenstående skema har jeg beregnet luftens densitet, ρ, jf. Idealgasligningen udledt i bilag D: p p = ρ R specifik T ρ = R specifik T = 1010 hpa kg ρ = 1,256 J 287, kg K 280,15 K m 3 Dataopsamlingen af både vindens hastighed, spændingsforskellen og strømstyrken har forvoldt store problemer. I første omgang dataopsamlede jeg på vindmøllen lørdag d. 5.12.2015 og natten til søndag, hvor der ifølge DMIs vejrarkiv var følgende lokale vejrforhold: 68 Middeltemperatur: 8,5 C Vind fra sydvest Middlevind 13 m/s Højeste vindstød 25,5 m/s Problemet ved denne dataopsamling var primært, at anemometeret ikke virkede, dvs. at jeg ikke var i stand til at måle på vindens hastighed, hvilket er en væsentlig mangel. Målingerne ser ud som følger til højre, og der ses stor afvigelse fra den målte vindhastighed(speed) og dmi s vejrudsigt. 68 http://www.dmi.dk/vejr/arkiver/vejrarkiv/
Sct. Knuds Gymnasium Side 33 af 34 Kigger man på effektkurven, kan det aflæses, at effekten har været meget varierende formodentlig betinget af kraftige vindstød. I brugsmanualen til Rutland 504 Windcharger(vindmøllemodellen) har producenten opgivet en Guideline Perfomance Curve, som giver et skøn over den forventede strømstyrke som funktion af vindhastigheden. Her kan man aflæse, at vindmøllen først vil producere en strøm ved en vindhastighed på over 5 knob (3,1 m/s), men også at strømstyrken vil overstige 1,0 ampere ved omkring 15 knob (7,7 m/s). I min dataopsamling (05.12), overstiger det målte antal ampere aldrig 1,0, hvilket er et problem, da vindhastigheden klart har oversteget de 7,7 m/s Dog skal det medtages af Guideline Curve gælder for clear, non-turbulent wind conditions, hvilket ikke helt har gjort sig gældende i haven, hvor vinden kan være meget turbulent. Efter jeg havde anskaffet mig et nyt anemometer, måtte jeg vente nogle uger på, at vinden atter skulle tiltage. Dette har givet mig et godt billede af, at en energiforsyning baseret på vindenergi, er meget afhængigt af vejrforhold, som vi ikke kan ændre på, og derfor en meget uberegnelig vedvarende energikilde.
Sct. Knuds Gymnasium Side 34 af 34 Torsdag d. 17.12.2015 begyndte det at blæse lidt op, og jeg kunne desværre se på www.dmi.dk, at vejrforholdene ikke ville ændre sig meget de følgende dage op til opgavens afleveringsfrist (21.12.2015). Til højre ses et screenshot af lokalvejret fra 17.12-19.12-2015 Middelvindhastigheden vil desværre kun ligge omkring 5 m/s(9,7 knob), hvilket i princippet skulle yde en strømstyrke på ca. 0,3 A, når man lader på et 12V batteri Aflæser man på dataopsamlingen den pågældende dag, ses det, at strømstyrken knap overstiger 0,1 A og holdes nogenlunde konstant til trods for at vindhastigheden er varierende. Dette stemmer rimeligt godt overens med vindmøllens Guideline Performance Curve, idet vindhastigheden lige netop ligger omkring 0- punktet for strømproduktionen. Konklusionen er derfor, at der formodentlig ikke har været en høj nok vindhastighed til at producere tiltrækkelig spænding til at overstige batteriets ladespænding. Desuden kan man frygte, at batteriet har været fuldt opladet og dermed ikke i stand til at aftage den producerede strøm.