Detta arbetet har till största del skett praktiskt och det mesta som finns beskrivet har vi
konstruerat och tillverkat själva. Denna skriftliga rapports syfte är att sammanfatta detta
arbete och de erfarenheter det lett till. Vi hoppas också att den ska underlätta arbetet om
någon skulle ge sig på denna genre igen efter oss, genom att t.ex. förfina och förbättra våran
konstruktion.
Detta skriftliga material är bara en bråkdel av det totala arbetet vi lagt ner på detta
specialarbetet, skoltid såsom fritid. Eftersom det mesta vi skrivit syftar på vårt egna arbete så
har vi få källhänvisningar, endast de böcker med beräkningar, fakta och tabeller är angivna.
Vindkraften har utnyttjats av människan i århundraden. Från början till att pumpa upp vatten med t.ex det amerikanska vindhjulet som kan skymtas i många västernfilmer eller det kretenska segelduks-vindhjulet.
Redan på 1890-talet utvecklade danskarna den första vindmöllan för elproduktion. Idag är Danmark en av de ledande vindkraftnationerna jämte Holland, Tyskland och USA. Efter den svenska regeringens beslut att stänga Barsebäcks två kärnkraftaggregat märks ett ökat intresse för alternativa energikällor såsom vind- och solkraft även här hemma.
Hur ska då alla vindkraftentusiaster och sommarstugeägare med erfarenhet av feta elräkningar kunna bygga sitt egna lilla vindkraftverk. Istället för att köpa ett färdigt verk för 120.000:- så har vi lyckats konstruera och tillverka ett likvärdigt själva för en summa av 5.000:-, läs mer om hela vår arbetsgång i detta specialarbetet.
Anledningen till att vi gjorde detta specialarbetet var mest för att se om det var möjligt att kunna göra ett vindkraftverk helt ifrån grunden med de kunskaper som vi hade. Det var även till för att lära oss mer om hur vind- och vindkraftverk fungerar och hur de fungerar tillsammans.
Målet med detta arbetet var komma så lång som möjligt med våran konstruktion och om möjligt sätta upp det och göra provmätningar på det. Vi hade inga tankar om att sälja det när det var färdigt utan hade tänkt att låta det generera el till våra el-patroner i ved-pannan som en liten extra energikälla.
Vårt arbete med att bygga det här vindkraftverket har givit oss mer kunnande om konstruktion
och logiskt byggande än vad vi har lärt oss under den vanliga skolundervisningen. Genom att
vi i stort sett har konstruerat och gjort alla delarna själva så har vi både fått en inblick i
konstruktionsingenjörens och verkstadsarbetarens arbete.
Det har varit en mycket intressant
uppgift att tillverka detta och givit oss mycket kunnande och kontakter med andra
vindkraft-byggare.
Även fast att vi inte har hunnit färdigt helt med konstruktionen nu i skrivandet stund så
kommer vi att fortsätta tills att vi får vindkraftverket färdig. Vi har satt ett mål om att det ska
generera ström innan året 1998 är slut.
Solinstrålningen ger olika temperaturer på olika platser som i sin tur ger variationer i lufttrycket. Det sätter luften i rörelse. Vindkraft är alltså en sorts solenergi. Blåser de mer än 6 m/s (och det gör det ganska ofta längs kusterna) kan vinden driva vindkraftverk. Den strömmande vinden får ett vindkraftverks vingar att rotera och vrida runt en axel så att vindenergi omvandlas till till eleltricitet. Det är alltså vindkraftverkes vingar och nav som fungerar som turbin. Turbinens axel är i sin tur kopplad till en växellåda som växlar upp varven till generatorn inne i maskinhuset.
De första vindkraftverken i Sverige byggdes på 1970-talet. De hade storleken 55 kilowatt.
Idag är de flesta 500 kW eller större. Utbyggnaden tog fart 1991 då riksdagen avsatte 250
miljoner kronor i investeringsbidrag för vindkraftverk, administrerat via
närings-och-teknikutvecklingsverket, Nutek.
Idag finns det ca. 350 stora vindkraftverk i Sverige. De motsvarar för 0,07 procent av
enenergiframställningen, 230 av dem har fått investeringsbidrag.
Sverige är lyckligt lottat med tillgång av vindenergi. Vindens årsmedelvärde är jämförelsevis
högt. Och områdena med bra vind är stora.
Elenergin förbrukas mest i södra Sverige. Det är också där det blåser mer än i övriga delar av
landet. Elproduktion och förbrukning kommer därför att ligga nära varandra vid en
vindkraftverksutbyggnad. Kostnadern för kraftledningar och överföringsförlusten blir därmed
låg.
Vindkraft är ett miljövänligt sätt att framställa elenergi på. Inga farliga utsläpp bildas etc.
Men visst finns det nackdelar, eftersom varje teknisk aktivitet medför större eller mindre
påverkan av omgivningen.
Många är emot vindkraftverk eftersom de "förfular" omgivningen. Eftersom många
vindkraftverk byggs utefter kusterna menar man att en stor del av naturens ursprungliga
utseende försörs. Men sanningen är den att det inte är själva ställningen som tar stor plats. Det
är när man bygger som t.ex skog måste röjas bort.
Vindturbinen kan orsaka buller. En del människor tycker att det ska vara en anledning till att
inte bygga, eftersom det både stör djurlivet och de människor som bor i omgivningarna.
Men även det här är en smula överdrivet. En motorväg är långt mer bullerstörande för
djurlivet än många stora vindturbiner. Bygger man dessutom med ca. hundra meters avstånd
till närmaste bebyggelse är bullerstörningen helt eliminerad för människor.
På grund av att propellern utgör en rörlig yta, så kan det hända att radioförbindelser med korta
vågor störs, d.v.s vid högre frekvens än 30 MHz. Olägenheten elimineras ej helt - men i hög
grad - om propellerbladen tillverkas av icke ledande material, t.ex trä och glasfiberplast.
Men dessa nackdelar med vindkraftverk är relativt små. Och de flesta håller nog med om att
lite buller är bättre än massa otrevlig rök och andra miljövådliga saker som kan bildas t ex vid
förbränning i en fabrik.
När man står i begrepp att bygga ett vindkraftverk så har man ett antal olika typer att välja mellan. Dessa har olika egenskaper och användningsområden och det är viktigt att välja rätt vindkraftverk till det aktuella användningsområdet. Det kan gälla att generera el, friktionsvärma vätska, pumpa vatten eller driva en maskin.
Två- och trebladiga turbiner är även på olika sätt reglerbar, genom man i en viss grad kan jämna ut de effektvariationer som uppstår p g a ändringar i vindstyrkan. Alla dessa egenskaper talar för att de här turbinerna är lämpade att driva elgenerator. Generatorn placeras oftast i maskinhuset i torntoppen, men kan alternativt placeras i marknivå om tornhöjden medger att kraften överförs med hjälp av en vertikal axel.
Det problem som möter den som skalla bygga denna typ av vindkraftverk är konstruktionen av bladen, som har en från tillverkningssyn komplicerad form. Även navkonstruktionen kan bli avancerad om man vill ha bladen reglerbara Startmomentet är realtivt dålig och turbintypen fodrar en vindhastighet på 3-5 m/s för att kunna starta.
Denna turbin är utmärkt för elgenerering. Den är även lämplig för att driva en vätskebroms, men kanske mindre lämpad för rent mekaniskt uttnyttjande av energin. Den kan användas från mycket små till mycket stora aggregat.
Denna turbintyp har blivit populär därför att den är så lätt att bygga. Man kan t ex använda itusågade oljefat. För att få högsta verkningsgrad skall man ha en luftspalt p ca 1/3 av diametern mellan halvorna. Verkningsgraden är dock i jämförelse med andra turbintyper dålig. Turbinen roterar mycket långsamt med en spetshastighet som normalt brukar vara lägre än vindhastigheten. Detta ger dåliga aerodynamiska egenskaper.
Turbinen är högvarvig och går bäst vid ett snabblöptal nära 6. Den har obefintligt startmoment och kan inte starta själv, med detta kan avhjälpas på olika sätt. Om den t ex är kopplad till en elgenerator (av asynkrontyp) och är nätansluten kan generatorn användas som motor och dra igång turbinen. Man kan även starta med hjälp av en inbyggd Savoniusrotor.
Darrieusturbinen har en hör verkningsgrad om den får gå med rätt snabblöptal och används bl a för att generera el. Den lämpar sig bäst på blåsiga platser utan mycket markvegitation. Det smala löptalsområdet kan utnyttjas som stormskydd, eftersom turbinen snabbt tappar effekt då den går med fel varvtal.
Giromill har högre teoretisk verkningsgrad än vad Darrieusturbinen har. Dock har inget bygge hittills kommit närheten av den teoretiska verkningsgraden. En hel del utvecklingsarbete återstår, då ingen större satsning gjorts på den här typen. Bästa löptal ligger något lägre än hos Darrieusturbinen och löptalskänsligheten är inte lika markant.
Giromillen är självstartande och de raka bladen, som ha ensymmetrisk profil, är betydligt enklare att tillverka. De problem man möter är bladupphängningen och den bladvinkelreglering som fodras. Typen är lämplig för elgenerering eller för att värma vatten med vatten vätskebroms.
Redan under vårterminen -97, så började vi spekulera om vårt specialarbete i 3:an. Att bygga
ett stort fungerande vindkraftverk verkade som en riktig utmaning. Vi hade sedan länge varit
intresserade för vindkraft och var båda mycket teknik-roade.
Vi förstod att detta skulle ta lång tid, men hur skulle man börja ? Genom att läsa böcker från
biblioteket som bara innehöll fakta och ingenting om hur vindkraftverken var uppbyggda kom
vi inte särskilt långt med.
Av en slump så visade det sig att våran svetslärare hade en bok med enkla och lättbyggda
vindsnurror, de flesta kopplade till en bilgenerator. Vi fastande genast för en vertikalaxlad
rotor, Savoniusrotorn. Men på grund av det låga varvtalet den sig vara mer lämpad för
vattenbromsar än för elproduktion.
Under sommarlovet -97 så hittade vi av ett lustigt sammanträffande tidningen "Teknik för
alla".
I just det numret började en artikelserie "Bygg ditt egna vindkraftverk".
Det var Starfelt Company AB som hade byggt två vindkraftverk med olika turbindiametrar,
2.5 m och 3 m och med en maxeffekt på 1.5 kW resp. 2.8 kW. Men de hade en rotor av
riktiga turbinvingar som kostade ca 7000:- /st , så det kunde inte genomföras med den budget
som vi hade.
Vi började åka runt till lite olika småbyggen av vindkraftverk som fanns runt om i trakten, de
flesta var avancerade stora verk och en del var bara enkla rundbockade plåtvingar med en
vanlig 12 V bilgenerator som strömgivare.
Eftersom ingen av oss hade någon gammal bilgenerator hemma så åkte vi runt till lite olika
skrotar. Både lastbilsskrot, där vi tänkte hitta någon bra 24 V generator, och vanliga
bilskrotar. Men de flesta generatorerna var antingen för dåliga för vårt ändamål, eller så var
de för dyra.
T ex. en 24 V lastbilsgenerator med 60 A ville försäljarna på skroten ha 800 :-
för.
Istället så började vi koncentrera oss på plåtvingarna. Det var billigt och vi kunde göra allting
själva i skolan. Eftersom vi bara hade sett vindkraftverk med 3 turbinvingar så antog vi att det
skulle vara så. Men vi visste inte hur de skulle stå ställda emot vinden för att ge mesta möjliga
rotationskraft.
Hur som helst så tillverkade vi en vindsnurra med rundbockade 1 mm plåtar som rotorblad.
Det var ett litet med 0.5 m vingar och hade bara till en början ett glidlager som navet hängde
på.
Vingarna satt på var sin platta med dämpning och med en axel fastsvetsad som i sin tur satt
fast i ett kort rör m h a stoppskruvar. Rören var sedan fastsvetsade på en lite större trekantig
platta som utgjorde som nav. Genom att vi kunde vrida och vända vingarna lite som vi ville så
hade vi tänkt hitta en perfekta vinkeln för vingarna.
Vi gjorde även en enkel "kropp" och flöjel för att vindsnurran skulle kunna vrida sig runt sin
egen axel efter vindens nycker.
En provisorisk ställning på 3 m tillverkades av gamla gasledningar som vi hittat i en
skrotcontainer på skolan. Vi svetsade ihop en mast med 3 stag och ställde upp den utanför
industriverkstaden på skolan tillsammans med den färdiga snurran i toppen, men det snurrade
inte så lätt som vi ville. Vi bytte ut glidlagret och satte in ett riktigt kullager istället,
provsnurran började då rotera utan problem. Men under en stormig natt så vek sig 2 utav
bladen bakåt av vindtrycket p g a att vi inte hade svetsat något stöd bakom dem utan bara
hade 1 mm plåt, så det projektet blev nerlagt.
"Det ideala vindturbinbladet"
När vi kom i kontakt med honom hade han hämtat formarna och hade dem hemma hos sig
och han var mycket road över att vi hade tagit detta ämne som projektarbete.
Han är i grunden konstruktionsingenjör men har sysslat med det mesta vad det gäller teknik,
forskning och experiment. Likaså så hade han byggt ett eget vindkraftverk.
Vi fick komma till hans sommarstuga som låg ute på Kållandsö, ca 2 mil utanför Lidköping.
Han hade plockat ner sitt vindkraftverk p g a ett haveri i växellådan, men allting annat var
intakt.
Vi berättade om våra tankar med bilgeneratorer men Lars tyckte att dessa vingar klarade så mycket mer, han hade som förslag att låna lite från hans konstruktion. Sagt och gjort så tittade vi på hans bygge och tog lite idéer när vi byggde vårt egna vindkraftverk, bl a nav, primäraxel och vindfena. Han undervisade oss också lite om hur hans konstruktion fungerade och vilka krafter man ska dimensionera emot. Nu var det bara att sätta igång att börja konstruera och tillverka.
Vår 2.4 m vinge längst till vänster i bild
Nu hade vi allt för att börja tillverka vårat vindkraftverk. Men nu var frågan, skulle vi bygga ett ihop eller var sitt ? Eftersom vi båda har möjligheter till att sätta upp dem ute på landet och för att det inte skulle bli slagsmål om vem som skulle få det så tog vi det säkra före det osäkra och byggde två likadana vindkraftverk.
Anders Dahlgren tillverkar kuggremshjul
Vi slog våra kloka huvuden ihop under jullovet och ritade den bild som finns på
konstruktionsbeskrivningen, det var så vi hade tänk att vindkraftverket skulle bli.
Allting var tvunget att stämma, det största problemet var till en början hur vi skulle bygga för
att kunna byta rem och någon av dem skulle gå av. Men genom löstagbara lagerbockar så
ordnade vi det problemet.
Eftersom vi inte hade några växellådor till övers så fick vi komma på något annat. Vi pratade
om kedjor, kilremmar mm men tillslut så valde vi kuggrem som har en verkningsgrad på hela
96%.
När skissen av klar så började vi med detaljritningarna, många enkla saker som vi skulle
tillverka själva blev också skisser, bara vi själva förstod var det skulle vara.
Niklas Jansson kör primäraxel
Vi delade upp arbetena så att vi fick lika mycket att göra. Niklas gjorde navet till oss båda och primäraxeln med dess fäste. Jag, Anders gjorde alla kuggremshjulen och spännrullarna. När vi skulle plasta vingarna så var vi båda med, det hade nog inte fungerat annars. Likaså när vi bockade alla u-balkar och svetsade ihop ramen.
Det stora kuggremshjulet (14) driver i sin tur ett mindre kuggremshjul (14) med en rem som hålls spänd genom att en spännrulle (15) trycks mot remmen. Det lilla kuggremshjulet sitter på en axel, som sitter mellan två löstagbara lagerhus (16), tillsammans med ett stort kuggremshjul som i sin tur driver ett mindre kuggremshjul på samma sätt som föregående uppväxling.
Genom att axeln på generatorn inte är tillräckligt stor för kilspåret i det lilla kuggremshjulet på har vi tillverkat en sekundäraxel (17) som uppfyller dessa krav. Kuggremshjulet driver nu generatorn (18) som får sitt maximala varvtal vid det givna max-varvtalet på turbinen. Alltihop sitter uppe på stående u-balkar (19), utom primäraxeln och dess rör som sitter fastskruvat på den stora liggande u-balken, mest för att det ska vara lätt att byta kullager om det skulle haverera.
För att vindkraftverket ska gå ur vind så har vi tagit en ledbar vindfena som sitter i en
lagrad axel (20) vid
änden av fundamentet, fenan är gjord av en 10 mm tjock
marinplaywood-skiva (21). Tanken är att den löst upphängda
fenan eller "tigersvansen" som den kallas i folkmun inte ska hindra turbinen att vika åt sidan vid kraftigt vindtryck
mot rotordisken. En fast monterad fena styr ju upp snurran mot vind hur kraftig vinden än är. Vid en kraftig vindby
så går snurran nästan 90 grader ur vind. När vindtrycket sedan avtar vrider sig snurran sakta upp mot vind igen
och ökar sin rotaton.
Nu får ni hålla er till tåls ett litet tag till, de resterande delarna kommer ganska så snart....