Windturbines Uitgelegd

Artikel

Wat zijn windturbines?

Windturbines zijn een vorm van hernieuwbare energie die zowel op land als op zee kan worden geïnstalleerd. Ze zetten de kinetische energie van de wind om in elektriciteit door een turbine te laten draaien, die een elektrische generator aandrijft.

Windturbines zijn er in verschillende maten, van kleine modellen voor huishoudelijk gebruik (kW-formaat) tot grote installaties die een hele stad van stroom kunnen voorzien (MW-formaat). De technologie wordt steeds kostenefficiënter naarmate deze zich verder ontwikkelt.

Wind Turbines

Windturbines

Er zijn veel voordelen aan het gebruik van windturbines, zoals het verminderen van de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen (kolen, olie enz.) en het verlagen van de uitstoot van broeikasgassen. Er zijn echter ook enkele uitdagingen, zoals geluid en visuele impact. Over het algemeen worden windturbines beschouwd als een schone en efficiënte manier om hernieuwbare energie op te wekken.

Wat is wind en hoe ontstaat het?

Wind is de beweging van lucht binnen onze atmosfeer, aangedreven door drukverschillen die ontstaan door verschillende factoren. Wanneer lucht wordt verhit door de zon, stijgt deze, waardoor een lage-drukgebied ontstaat. Omgekeerd, wanneer lucht afkoelt, daalt deze, wat resulteert in een hoge-drukgebied. Deze drukverschillen zorgen ervoor dat de lucht van hoge-drukgebieden naar lage-drukgebieden beweegt, omdat de druk probeert te egaliseren.

De snelheid waarmee lucht beweegt, hangt af van de grootte van het drukverschil. Een groter drukverschil leidt tot sterkere winden, terwijl een kleiner drukverschil resulteert in zachtere briesjes. Als er geen drukverschil zou zijn, zou er geen wind zijn, maar dit komt in de praktijk niet voor. Het continue proces van drukegalisation leidt tot een constante luchtbeweging, en het is dit dat de weerspatronen en klimaten vormt die we dagelijks ervaren.

Om beter te begrijpen hoe wind ontstaat, kunnen we verwijzen naar het proces van natuurlijke convectie. Verhitte lucht stijgt omdat deze minder dicht wordt en koelere lucht verdringt deze vanwege zijn grotere dichtheid. Deze verplaatsing duwt de minder dichte lucht (warmere lucht) omhoog, waardoor een cyclus van stijgende/rijzende lucht en dalende/afkoelende lucht ontstaat. Natuurlijke convectie vindt op veel grotere schaal plaats in de atmosfeer van de aarde, maar het basisprincipe blijft hetzelfde.

Natuurlijke Convectie

Natuurlijke Convectie

Wat zijn de belangrijkste soorten windturbines?

Windturbines kunnen op verschillende manieren worden geclassificeerd, maar een van de eenvoudigste manieren om een windturbine te classificeren is op basis van zijn rotatieas. Horizontale-as windturbines (HAWT) worden gebruikt voor grote commerciële toepassingen en zijn degene die de meeste mensen hebben gezien. Verticale-as windturbines (VAWT) zijn minder gebruikelijk, minder efficiënt en worden niet gebruikt voor grote commerciële toepassingen.

Wat zijn de belangrijkste onderdelen van een windturbine?

Hieronder volgt een kort overzicht van elk windturbine-onderdeel voor kennismakingsdoeleinden; een gedetailleerde beschrijving van elk onderdeel wordt vervolgens gegeven.

Wind Turbine Onderdelen

Wind Turbine Onderdelen

De belangrijkste onderdelen van een windturbine zijn:

Fundering – ondersteunt het gewicht van de turbine en al zijn onderdelen. De fundering is meestal gemaakt van beton of staal.
Toren – biedt structurele ondersteuning en verhoogt de gondel.
Gondel – herbergt alle machinerie voor stroomopwekking.
Rotor – bestaande uit de bladen en een naaf.
Bladen – ontworpen met een vleugelprofiel om de kinetische energie van de wind op te vangen en om te zetten in mechanische kracht.
Naaf – een gemeenschappelijk stuk waaraan alle bladen zijn bevestigd.
Lage-snelheidsas – brengt de mechanische energie (rotatiebeweging) van de rotor over naar een versnellingsbak.
Versnellingsbak – neemt de rotatiesnelheid van de lage-snelheidsas en verhoogt deze.
Hoge-snelheidsas – de hoge-snelheidsuitgang van de versnellingsbak is verbonden met de hoge-snelheidsas.
Generator – zet de mechanische energie van de hoge-snelheidsas om in elektrische energie.
Remsysteem – stopt de rotatie van de rotor in geval van nood, of wanneer de windsnelheid te laag is, of wanneer onderhoud aan de turbine plaatsvindt.
Yaw-controlesysteem – een hydraulisch systeem dat de turbine-rotor uitlijnt met de windrichting voor optimale energieopname.
Pitch-controlesysteem – een hydraulisch systeem dat wordt gebruikt om de pitch van de rotorbladen te veranderen. Door de pitch (aanvalshoek) te variëren, varieert het vermogen van de turbine.
Elektronica – reguleert de spanning en frequentie-uitgang van de generator.
Transformator – meestal geïnstalleerd aan de basis van de toren of gemonteerd in de gondel. De transformator verhoogt de spanningsuitgang van de generator voor efficiënte stroomtransmissie.

Een gedetailleerde blik op elk van de belangrijkste onderdelen van een windturbine wordt nu gegeven.

Toren

De toren verhoogt de gondel, waardoor de blootstelling aan de hogere windsnelheden die op grotere hoogten aanwezig zijn, wordt gemaximaliseerd. Hoe groter de windsnelheid, hoe groter de hoeveelheid energie die beschikbaar is voor omzetting in elektrische stroom.

Gondel

De gondel is een behuizing die zich bovenop de toren bevindt. Het herbergt alle machinerie voor stroomopwekking, inclusief de versnellingsbak, generator en regelsystemen. De gondel beschermt de machinerie tegen de omgeving, waardoor de effecten van slijtage, corrosie en erosie worden verminderd.

Rotor

De rotor bestaat uit twee hoofdonderdelen: de bladen en de naaf. De rotor vangt windenergie op en zet deze om in mechanische kracht. Terwijl de wind over de bladen stroomt, veroorzaakt het een rotatiekracht (koppel) die wordt overgebracht naar de naaf en vervolgens naar de andere roterende onderdelen van de turbine (lage-snelheidsas, versnellingsbak, hoge-snelheidsas en generator).

Bladen

De bladen zetten de kinetische energie van de wind om in mechanische energie; dit wordt bereikt omdat elk van de bladen een vleugelprofiel heeft. Het vleugelprofielontwerp veroorzaakt lift wanneer lucht over het oppervlak van het blad stroomt. Lift is de lineaire kracht die op het blad werkt, maar het is koppel - een roterende kracht - die ervoor zorgt dat de bladen draaien.

Naaf

De naaf dient als een centraal verbindingspunt voor alle turbinebladen. De naaf brengt de rotatiebeweging die door de bladen wordt gegenereerd over naar de lage-snelheidsas en vervolgens naar de andere roterende onderdelen van de turbine.

Lage-snelheidsas

De lage-snelheidsas brengt de rotatiebeweging van de rotor over naar de versnellingsbak.

Versnellingsbak

De versnellingsbak neemt de lage rotatiesnelheid van de lage-snelheidsas en verhoogt deze voordat deze naar de hoge-snelheidsas wordt overgebracht.

Hoge-snelheidsas

De hoge-snelheidsas brengt de rotatie-energie van de versnellingsbak over naar de generator.

Generator

De generator is verantwoordelijk voor de uiteindelijke energieomzetting. Het zet de mechanische energie van de hoge-snelheidsas om in elektrische energie.

Remsysteem

Het remsysteem maakt veilige operationele controle van de windturbine mogelijk. Het kan de rotatie van de rotor stoppen tijdens noodgevallen, lage windsnelheden of voor onderhoudsactiviteiten.

Yaw-controlesysteem

Het yaw-controlesysteem wordt gebruikt om de oriëntatie van de gondel en rotor ten opzichte van de windrichting aan te passen. Dit systeem optimaliseert de energieopname door ervoor te zorgen dat de bladen de wind onder de meest efficiënte hoek opvangen. Yaw-controlesystemen worden meestal elektrisch of hydraulisch geactiveerd.

Pitch-controlesysteem

Het pitch-controlesysteem wijzigt de aanvalshoek van de rotorbladen ten opzichte van de wind. Door de pitch van een blad aan te passen, wordt de totale energieopbrengst van de turbine aangepast. Vanwege de aard van de wind en de variërende omstandigheden is pitch-controle essentieel voor een efficiënte werking van een windturbine.

Elektronica

Elektronica beheert en reguleert verschillende aspecten van de werking van de turbine. Ze regelen de spanning en frequentie-uitgang van de generator, waardoor de turbine veilig en efficiënt op het net kan worden aangesloten (gesynchroniseerd).

Transformator

Meestal bevindt zich de transformator ofwel aan de basis van de toren of in de gondel, en deze dient om de spanningsuitgang van de generator te verhogen. Deze stap omhoog (verhoging) van de spanning zorgt voor een vermindering van de stroom, wat betekent dat transmissieverliezen aanzienlijk kunnen worden verminderd.

Kabels en Onderstation

Kabels transporteren elektrische stroom van de windturbine naar een onderstation. Meerdere windturbines worden aangesloten op een enkel onderstation. Het onderstation verbindt het windpark met het elektriciteitsnet.

Hoe werken windturbines?

Commerciële windturbines zijn hoge structuren, meestal met drie bladen, die rond een centrale as draaien. De centrale as bestaat uit een lage-snelheidsas tussen een rotornaaf en versnellingsbak, en een hoge-snelheidsas tussen de versnellingsbak en elektrische generator (de twee assen zijn niet letterlijk geïnstalleerd langs een centrale as, maar zijn iets verschoven).

De turbinebladen worden geroteerd door de kinetische energie van de wind (energie uit beweging). Elk blad heeft een vleugelprofiel om lift te maximaliseren en weerstand te minimaliseren. Lift is een kracht die op de bladen werkt als de wind eroverheen stroomt, maar het is koppel (roterende kracht) die ervoor zorgt dat de bladen rond de centrale as draaien.

Vleugelprofiel Ontwerp

Vleugelprofiel Ontwerp

De bladen zijn verbonden met een gemeenschappelijke rotornaaf, die is verbonden met een lage-snelheidsas, vervolgens een versnellingsbak, dan een hoge-snelheidsas en ten slotte een generator. Kinetische energie van de wind wordt door de bladen van de turbine omgezet in mechanische kracht; deze kracht wordt vervolgens overgebracht naar een generator waar het wordt omgezet in elektrische energie. Al deze componenten zijn ondergebracht in een gondel, die bovenop een toren is geïnstalleerd.

Windturbines gebruiken vaak een cilindrisch monopaal torenontwerp, hoewel vakwerk constructies ook mogelijk zijn. Monopaal torens worden meestal vervaardigd van staal, maar kunnen ook worden gemaakt van beton.

Hoe groot kunnen windturbines zijn?

De grootste commerciële windturbine is de Haliade-X van General Electric. De Haliade-X is 260 m (853 ft) hoog, heeft een rotordiameter van 220 m (721 ft) en kan bijna 13 MW aan elektrische energie genereren (genoeg voor ongeveer 10.000 huizen).

Waarom zijn windturbines zo hoog?

Windsnelheden zijn groter op grotere hoogten. De hoeveelheid energie die een windturbine uit de wind kan halen, is evenredig met de snelheid van de wind. Hogere windsnelheden bevatten meer potentiële energie, dus worden windturbines hoog gebouwd om deze potentiële energie te bereiken en te oogsten.

Wat zijn de voordelen van windturbines?

Windturbines worden steeds vaker gebruikt als bron van hernieuwbare energie. Er zijn veel voordelen aan het gebruik van windturbines boven traditionele fossiele brandstof bronnen, waaronder hun gebrek aan uitstoot (na installatie en ingebruikname), lage onderhoudskosten en mogelijkheid om elektriciteit op te wekken, zelfs bij lage windsnelheden. Windturbines kunnen ook worden gebruikt om andere energiebronnen aan te vullen, zoals zonne-energie (fotovoltaïsch, vaak afgekort als 'PV'), waterkracht en niet-hernieuwbare energiecentrales (kolen, gas, olie enz.). Bovendien kunnen windturbines worden gebouwd op verschillende soorten land, waaronder landbouwgrond, woestijn, stedelijke gebieden en zelfs op zee (offshore).

Wat zijn de nadelen van windturbines?

Windturbines zijn een steeds populairdere bron van hernieuwbare energie, maar ze hebben ook enkele nadelen. Een van de meest significante problemen is dat windturbines voor sommige mensen visueel onaantrekkelijk kunnen zijn, vooral in landelijke gebieden. Ze vormen ook een bron van geluidsoverlast, omdat de bladen van een turbine geluid kunnen genereren door de beweging van de bladen door de lucht, en soms ook door trillingen. Windturbines kunnen een bedreiging vormen voor wilde dieren, omdat vogels en vleermuizen kunnen worden gedood als ze in de bladen vliegen. Ten slotte kunnen windturbines een bron van lichtvervuiling zijn, omdat de draaiende bladen flikkerende schaduwen creëren.

Over het algemeen bieden windturbines een relatief schone energiebron, maar ze hebben ook kleine nadelen.

Waar kan een windturbine worden geïnstalleerd?

Windturbines kunnen op verschillende locaties worden gevonden, van open velden tot bergtoppen. Vaak worden ze gegroepeerd in 'windparken' die aanzienlijke hoeveelheden energie kunnen opwekken (honderden megawatt). Enkele van de grootste windparken bevinden zich in de Verenigde Staten, China, het VK en Duitsland. Naarmate het gebruik van windenergie blijft groeien, is het waarschijnlijk dat windturbines nog vaker zullen voorkomen.

Windpark

Windpark