H3 Onderdelen windturbine

Door Niels_1 gepubliceerd op Tuesday 10 June 13:00

Een kleine inleiding van deze zilla vindt u hier.

3                          De technologie

3.1    Onderdelen van een windturbine                          

ab6a4bf909e6c1ed338a5938643ee60c_1402401

 

Figuur 17: Onderdelen windmolen

 

1.       De betonnen fundering

2.       De transformator

3.       De mast

4.       De trap door mast naar  de gondel

5.       De kruimotor

6.       De gondel

7.       De generator

8.       De meetinstrumenten

9.       De rem

10.     De tandwielkas

11.     De rotorbladen

12.     Verstelling van de  rotorbladen

13.     De rotornaaf.

De meeste hedendaagse windturbines bestaan uit deze onderdelen, al zullen sommigen een beetje kunnen afwijken wat betreft het aantal bladen, het type aandrijving van de generator of de toerentalregeling

 

3.1.1               De betonnen fundering

De windturbine krijgt ontzettend veel te verduren. De kracht die de wind op de constructie uitoefent, maar een sterke fundering is ook noodzakelijk om de massa van de constructie zelf te dragen.

Natuurlijk moet de grootte van het fundament afgestemd zijn op de grootte van de turbine.

Er worden per molen ongeveer 20 heipalen in de grond geslagen, daarna wordt er ongeveer 100 tot 300 m³ gewapend beton in de grond gestort, daarbovenop komt een funderingsring waar later de eigenlijke molen op komt te staan.

 

a0089212c8eaa9e3b97c4a01b13bb705_1402401

Figuur 18: Fundering windmolen

 

3.1.2               De transformator

0fd22450e4579cce4a7fc7cf40e1037a_1402401

Figuur 19: Transformator windmolen

De transformator heeft als taak de opgewekte spanning om te zetten naar een bruikbare spanning voor het elektriciteitsnet. De opgewekte spanning van 380-600 volt wordt omgezet naar een spanning van 10 000 tot 30 000 volt, afhankelijk van het aangesloten elektriciteitsnet. Op deze manier kan de opgewekte spanning onmiddellijk gebruikt worden. De transformator zet ook de opgewekte wisselspanning om in gelijkspanning en vervolgens weer naar wisselspanning (AC-DC-AC). Zodoende komt de frequentie van de spanning overeen met de frequentie van het elektriciteitsnet.

 

De transformator kan zich zowel in het onderste gedeelte van de mast bevinden of boven in de gondel.

Verder is er nog een distributiepost[1] nodig om de geproduceerde elektrische energie aan het netwerk af te geven.

 

3.1.3               De mast

De mast heeft sinds de eerste windturbines een grote ontwikkeling doorgemaakt. De eerste masten waren uit hout gemaakt, maar hout vergt veel onderhoud en het is dan ook niet de meest stevige constructie.

De houten masten werden vervangen door ijzeren, gevolgd door stalen exemplaren.

Soms worden er nog wel eens open masten gebruikt, vergelijkbaar met onze elektriciteitsmasten maar meestal worden er enkel nog dichte masten geplaatst, gewoon omdat deze mooier zijn. De conische onderdelen worden gerold en aan elkaar gelast tot stukken van 20 à 30 meter. Aan de binnenkant worden ze dan verder onderverdeeld in tussenschotten en er komt een ladder in. De doorsnede van de holle metalen buis is ongeveer 4,5m.

6372df35f3817e336cc9c56b0af2a97b_1402401

Figuur 20: De mast

Door de mast lopen er ook nog elektriciteitskabels en communicatiekabels die naar de gondel gaan. In de mast zit dus een deel van de elektrische uitrusting verwerkt.

De hoogtes van de masten variëren. De hoogte is erg belangrijk voor de elektriciteitsproductie, want de wind waait harder op een grotere hoogte. Vooral in het binnenland zet men hogere masten omdat de wind op lagere hoogten wordt tegengehouden door alle gebouwen. Aan de kust kan men dan weer kleinere masten gebruiken

Men zal een windturbine ook niet hoger maken dan noodzakelijk, want dit kost veel geld. Daarom moet men op voorhand bekijken of het verhogen van de mast ook wel extra energie oplevert.

Op de mast wordt later de gondel gezet omdat de rotor dan op een voldoende hoogte zit, in een zone met meer en ook regelmatige wind.

d30613c1ef9b8524ef7f17979d38ded7_1402401

Figuur 21: Overgang eerste deel mast naar tweede deel mast

3.1.4               De trap door de mast naar de gondel

Tegenwoordig bevindt zich in de mast een lift die de technici naar de gondel brengt. De laatste meters moeten wel via een ladder gedaan worden.

48ad0917f8f906daf39fad2eb1c2da6e_1402401

Figuur 22: Trap door mast naar de gondel

 

3.1.5               De kruimotor

De kruimotor zorgt voor de controle van de oriëntatie van de rotorbladen naar de wind toe. Deze zorgt er als het ware voor dat de wieken altijd de goede kant op staan, dit wil zeggen dat de gondel met de rotor steeds loodrecht in de wind staat.

5d60e6803ca9f8cf27f70823d9ff889f_1402401

Figuur 23: De kruimotor

 

Van de windvaan[2] krijgt de kruimotor informatie binnen over de windrichting. Aan de hand van deze gegevens wordt de gondel in de goede richting geplaatst met behulp van de kruimotor. Dit is nu een computergestuurd proces, dat de informatie van de windrichting en de anemometer verkrijgt.

De gondel draait naar de juiste windrichting met behulp van de kruimotor. Bij de draaiing wordt natuurlijk rekening gehouden met de kabels die vanuit de gondel naar beneden lopen. Een sensor houdt het aantal draaiingen bij (tot maximum 3 rondes) en zorgt er dan weer voor dat de gondel op tijd terug draait.

e1899acdd0e4f780d3f7bc0aac5f6d05_1402401

Figuur 24: Onderdelen in de gondel

 

3.1.6               De gondel

De gondel bevindt zich bovenop de mast, het is het gedeelte waar de wieken aan vast zitten. In de gondel bevinden zich de aandrijfas, tandwielkast, generator, transformator en de kruimotor.

De gondel is als het ware het kloppend hart van de windturbine. Hierin wordt de windenergie omgezet naar elektriciteit.

5032938477dc0a12934b15219999b33d_1402401

Figuur 25: De gondel

De gondel kan op de toren draaien door middel van het kruisysteem.

905e7244e605a49a9958a3021ef2975b_1402401

Figuur 26: Onderdelen in de gondel

 

3.1.7               De generator

a844e67b8c8c9dcb70deb9d54d5c0a5a_1402401

Figuur 27: De generator

De generator is het gedeelte waar de stroom werkelijk wordt opgewekt. De generator zorgt ervoor dat de windenergie, of met andere woorden de mechanische energie die wordt geproduceerd door de rotor, omgezet wordt in elektriciteit. De generator zet de beweging van de as om in elektriciteit, het is eigenlijk als het ware één grote dynamo. De stroom wordt daarna via een transformator aan het hoogspanningsnet geleverd.

 

De meeste moderne windturbines wekken een spanning op van 380 of 600 volt.

 

Rond een magneet is er een magnetisch veld vanuit de Noordpool naar de Zuidpool.

  1. Rond een stroomvoerende geleider zal er ook een magnetisch veld ontstaan.
  2. Wanneer een stroom voerende geleider zich in een magnetisch veld bevindt, zal er een veld versterking en verzwakking optreden.
  3.  Zoals op de tekening uitgelegd wordt, zal de stroomvoerende geleider zich naar de rechterkant verschuiven.
  4. Wanneer de geleider wordt vervangen door een wikkeling, dan zal dit hetzelfde effect hebben. Enkel zal de verschuiving volgens een cirkel verlopen.

164debff70ff9111231377b86cd477b2_1402401

Figuur 28: Stroom voerende geleider in magnetisch veld (weggaand)

52314666630fa6b014dbbd845a4eaedf_1402401

Figuur 29: Draaiende geleider in magnetisch veld

9fbf8222ee6b8ab59adeea342097a1a4_1402402

Figuur 30: Stroom voerende geleider in magnetisch veld (komend)

3e19fee7fdd1d0dbe0ec71b8bf0e28c1_1402402

Figuur 31: Stroom voerende geleider in magnetisch veld

a10a77d895e9594cd4f47a7a1b614abe_1402402

Figuur 32: Stroom voerende met magnetisch veld

58807347c85a19e6741250515dff253a_1402402

Figuur 33: Magnetisch veld


Wanneer er een enkelvoudige wikkeling wordt gebruikt zal deze verticaal staan i.p.v. horizontaal zoals in figuur 5.

Wanneer er dus meerdere wikkelingen zijn, zal de rotor blijven ronddraaien.

Een motor is dus eigenlijk een machine die elektriciteit omzet in mechanisch vermogen.

Een motor kan je gebruiken in 2 richtingen:

  1. Als motor zelf ( Elektrisch vermogen à Mechanisch vermogen)
  2. Als generator ( Mechanisch vermogen à Elektrisch vermogen)

Een generator zet een mechanisch vermogen om in een elektrisch vermogen. Dit is het tegenovergestelde van hoe een motor een elektrisch vermogen omzet in een mechanisch vermogen. Een generator laat dus de rotor ronddraaien in een magnetisch veld en daardoor ontstaat er een inductiespanning in de rotor die ervoor zorgt dat een stroom gaat vloeien.

 

3.1.8               De meetinstrumenten

De windrichting weten is belangrijk zodat de rotor dwars op de windrichting georiënteerd kan worden om zoveel mogelijk aandrijfkracht op te vangen.

Windturbines werken bij snelheden die variëren van ongeveer 15 km/u tot ongeveer 90 km/u, sommige types kunnen zelfs 120 km/u aan.

 

3.1.9               De rem

De rotor kan volledig stilgelegd worden in functie van de veilige werking van de windturbine. Om maar een voorbeeld te geven, bij snelheden van 90 km/u ontstaan er veiligheidsproblemen maar er treedt op dat moment ook slijtage en metaalmoeheid[3] op. De windturbine kan, indien dit mogelijk is, zeer snel en van op afstand automatisch stilgelegd worden.

De meeste windturbines kunnen remmen door het verstellen van hun bladstand, dit noemt men ook de aerodynamische rem. Dit systeem heeft als voordeel dat het voor de turbineonderdelen, de minste belasting veroorzaakt en er dan ook voor zorgt dat deze in enkele rotaties volledig stopt. Men kan de volledige wiek draaien, bij de “actieve stall controle” en “pitchregeling" of enkel de wiektip bij “passieve stall controle”. (Dit wordt verder besproken in punt 3.3.1, 3.3.2 en 3.3.4)

Bij elke windturbine moet er ook een schijfrem zijn om de rotor te blokkeren bij te hoge windsnelheden en bij eventueel onderhoud en reparatie van de rotorbladen.

8644f962a1e11f702e890dd78c4ab95f_1402402

Figuur 34: Karakteristiek windturbine

Er zijn ook turbines met twee remmen. Er is er dan 1 voor de tandwielkast, op de trage as en 1 erna, op de snelle as.

 

3.1.10           De tandwielkast

De langzame omwentelingen van de hoofdas worden door de tandwielkast omgezet naar een hoger toerental. Deze ‘versnelling’ is afhankelijk van de windsnelheid.

Als er weinig wind is, zal de tandwielkast een “lagere versnelling” kiezen dan wanneer het hard waait. Als er weinig wind is, staat er niet zoveel kracht op de rotorbladen en dus ook niet op de hoofdas. De tandwielkast zou als er een “hoge versnelling” gekozen wordt, zoveel weerstand opleveren dat de rotorbladen stil blijven staan. In een lagere versnelling is er minder kracht nodig om de wieken te laten draaien. Er wordt echter wel nog steeds stroom opgewekt.

 

8da902a78578074d5f86f36604c5a227_1402402

Figuur 35: De tandwielkast

Het nominale toerental van een rotor ligt ongeveer bij 18 toeren per minuut, dat terwijl de generator bij 1700 toeren per minuut draait. Daardoor is de overbrengingsverhouding 1:94.

 

3.1.11           De rotorbladen

De rotor bestaat uit meerdere rotorbladen (meestal zijn dit er twee of drie) en uit de neus van de windturbine. De rotor wordt door de windenergie in beweging gezet, hij zet het proces van het opwekken van elektriciteit in werking.

Vroeger werden de rotorbladen van metaal gemaakt, tegenwoordig kiest men vaker voor composietmaterialen (polyesterhars en glas- of koolstofvezel) omdat deze sterker en ook duurzamer zijn. Staal en aluminium hebben als nadeel het gewicht en dat er metaalmoeheid kan optreden.

De rotorbladen staan niet onder een vaste hoek. De hoek met de wind is ongeveer 18 graden.

De vorm van de rotorbladen is zo geconstrueerd dat er zo veel mogelijk energie wordt opgewekt en zo weinig mogelijk geluidsoverlast wordt geproduceerd.

Het aantal bladen bepaalt de hoeveelheid wind die de turbine kan meekrijgen bij het draaien. Hoe minder bladen, hoe sneller de turbine zal moeten draaien om alle wind in zijn oppervlak op te vangen. Op dit moment blijken de meest efficiënte windturbines die met 3 bladen te zijn.

De rotorbladen worden niet meer van metaal gemaakt, tegenwoordig verkiest men epoxyhars[4].

d9034a6cd7ae97dfb4c1ade826c749dd_1402414

Figuur 36: Rotorbladen, windturbine Maasmechelen

56a9dab6f022135eb74db19f10e50f88_1402414

Figuur 37: Invalshoek van de wind op het rotorblad

cc66def57ae75055035bedd3c4cd6622_1402414

Figuur 38: Epoxyhars

 

3.1.12           De verstelling van de rotorbladen

Het is mogelijk de bladen afzonderlijk van elkaar te verstellen om enerzijds op deze manier de windenergie optimaal te benutten en anderzijds de draaisnelheid te verminderen als de wind te fel is.

Elk rotorblad kan onafhankelijk van de anderen versteld worden.

Dit bevordert de draaisnelheid van de rotor (hogere energiewinning) en anderzijds vermindert het de draaisnelheid als de wind te fel is.

Bij een windkracht van ongeveer 2Bft[5] beginnen de rotorbladen te draaien, bij een windkracht van 7 à 8Bft wordt de maximale capaciteit bereikt. Als de windsnelheid te hoog is, wordt de windturbine stopgezet, dit om schade te voorkomen.

De technologie van de rotorbladen komt uit de luchtvaart.

cc66def57ae75055035bedd3c4cd6622_1402414

Figuur 39: Aerodynamica van de rotorbladen

3.1.13           De rotornaaf

De rotornaaf is samen met de hoofdas, een onderdeel van de aandrijfas. Op de rotornaaf is de rotor gemonteerd. De hoofdas is verbonden met de tandwielkast. De aandrijfas zorgt ervoor dat de windenergie overgebracht wordt naar de tandwielkast.

90dc6a95f377093dbb3800ad96e3635d_1402414

Figuur 40: De rotornaaf

 

3.1.14           Het controlesysteem

Het controlesysteem dient om het toerental van de rotor te controleren. Dit is noodzakelijk vanaf het moment dat de turbine zijn nominaal toerental[6] behaald heeft. Wanneer er dan nog stijgende windsnelheden zijn, moet er een systeem optreden dat het toerental constant houdt en zodoende de kracht op de wieken vermindert.

 

Figuur 41: Windturbine Lanakend0ea43ee7cd8f9fb9c121733569086f7_1402414

 

 

3.2                    Hoeveelheid geproduceerde energie

 

De hoeveelheid geproduceerde elektrische energie is afhankelijk van de hoeveelheid wind, de hoogte van de turbine en de tijd dat de molen draait.

Uit de wet van Newton leren we dat een massa die in beweging is, in dit geval de wind, een bepaalde energie heeft.

 

e85ab3869aecad96512457b518ec3212_1402414

 

P          = vermogen in Watt

m         = massa van de wind in kg

v          = snelheid van de wind in meter/seconde          

 = aantal km/u gedeeld door 3,6

A         = oppervlakte rotor in m2 = ( straal x straal x p )

r          = soortelijke massa van lucht in kg/m3                        = 1,225kg/m3

Cp        =vermogen coëfficiënt            = rendement van de turbine

C                     = Beurskensfactor                         = varieert van 2,8 aan de kust tot 3,6 in het binnenland.

Tabel 1: Verklaring van de symbolen

 

09958ac8f30f5d733a8b1b2b4e3f9ea2_1402414

Een windturbine kan de energie van de wind opnemen via de rotorbladen en deze omzetten in elektriciteit met behulp van een generator. De hoeveelheid energie die er wordt opgewekt, staat in verhouding met de hoeveelheid energie die de wind verliest als ze door de rotor gaat.

a1638b79d6ce1003394c1d5852031f0f_1402414

Figuur 42: Verschil van snelheden

Met andere woorden, als we weten dat de massa van de wind gelijk blijft en de energie verlaagt, dan weten we ook dat de snelheid van de wind v2 die door de rotor gegaan is lager is dan de snelheid v1 voor de rotor, zoals ook blijkt uit de theorie van Betz. Verder zegt deze theorie ook dat er maximum 59,3% van de energie uit de wind, door een windturbine kan opgevangen worden. Dit noemt men de Betz-Limiet. (=Cp)

5dd859f64d3d76602d7eabe023c4f3de_1402414

Figuur 43: Grafiek Betz-Limiet

 

3.3                    De aerodynamica

 

Aerodynamica is afkomstig van het Grieks. “Aèr” betekent namelijk lucht en “dunamis” betekent kracht. Aerodynamica wordt ook wel stromingsleer genoemd en houdt zich bezig met de bestudering van stromingen van lucht en andere gassen om en door vaste voorwerpen. Een voorbeeld hiervan is de vleugel van een vliegtuig, of de lucht die doorheen een buist stroomt…

Dit onderwerp is een onderdeel van de mechanica en de natuurkunde waarin het gedrag van lucht en andere gassen wordt bestudeerd in stromingen en in rust.

 

3.3.1               Trek- en liftkracht

Op een voorwerp dat zich in een luchtstoom bevindt, werken twee krachten. Deze krachten zijn de trekkracht en de liftkracht.

ca1470f0ee4437b0a5624165c6ea520b_1402414

Figuur 44: Trekkracht

De trekkracht bevindt zich aan de luw-zijde van een rotorblad en loopt evenwijdig met de windrichting. Deze is het grootste wanneer de hoek tussen het rotorblad en de wind het grootste is. Dit betekent dat de hoek tussen de wind en het rotorblad loodrecht moet zijn. Op dat moment is de stall ook het grootst.

200803581a7dc096cefb0746825c93e3_1402414

Figuur 45: Liftkracht

De liftkracht bevindt zich, net zoals de trekkracht, aan de luw-zijde van een rotorblad en staat eveneens loodrecht op de windrichting. Aan de bolle zijde van het rotorblad ontstaat er, door de windstroom, een onderdruk. Hierdoor ontstaat er een opwaartse kracht, wat de liftkracht wordt genoemd. Dit effect van de opwaartse kracht wordt het Bernoulli-effect genoemd.

 

3.3.2               Stall

Op bijgevoegde tekening van een vliegtuigvleugel wordt dit verschijnsel duidelijk. De grafiek laat het verband zien tussen de lift- en trekkracht. Er worden 3 punten verduidelijkt met een tekening. De vliegtuigvleugel wordt onder verschillende hoeken in een luchtstroom geplaatst. Hierdoor zal de lucht op verschillende manieren langs de vliegtuigvleugel gaan.

88a27f1dffe76a7905ca344ae6e58b91_1402414

Figuur 46: Stall-effect

Het stall-effect treedt op bij een hoek van 19 graden. Hierbij zal de lucht na de vleugel niet meer evenwijdig lopen met de andere luchtstromen, maar wordt de lucht turbulent. Hierdoor zal de liftkracht helemaal of gedeeltelijk wegvallen. Bij sommige windturbines wordt dit effect toegepast om de kracht op de rotor bij hogere windsnelheden te beperken.

 

3.3.3               Draaiing van de rotorbladen

Bijgevoegde afbeeldingen laten het verschil in windsnelheid zien tussen de tip (rode lijnen) en de afstand op ¼ van de as (gele lijnen). Hierop is duidelijk te zien dat de rode lijnen in het rotoroppervlak liggen, terwijl de gele lijnen een stuk naar achter waaien. Dit komt door de grote frontale windsnelheid.

dd052955bc41eb03dab418c081ece5e9_1402414

Figuur 47: Draaisnelheid op verschillende plekken

Omdat de draaisnelheid van het blad verschillend is op iedere afstand op het rotorblad, zal ook de schijnbare windsnelheid veranderen. Wanneer men het grootste rendement wil hebben, moet de schijnbare windsnelheid zo hoog mogelijk zijn. Ook moet deze zo gelijk mogelijk over de lengte van de wiek verdeeld zijn. Dit gebeurt wanneer de wiek gedraaid wordt in de lengterichting zoals te zien is op de 2de afbeelding.

 

3.3.4           Relatieve windsnelheid         

991cb39a82e0e4a9de1ace914fe003d3_1402414

Figuur 48: Gedraaide vorm van de wiek

De windsnelheid is niet het enige dat een rol speelt bij de aerodynamica.

Doordat de rotor gedraaid kan worden, zullen de wieken nog een windkracht ondergaan. Deze windkracht is te vergelijken met de windsnelheid die te voelen is bij het fietsen op een windloze dag.

Omdat deze krachten niet uit dezelfde richting komen, moet er een resultante gemaakt worden van alle krachten. De turbine zet zichzelf altijd recht in de wind, hierdoor zal de natuurlijke windsnelheid steeds loodrecht op de wiek staan. De windsnelheid die ontstaat door de snelheid van het draaien van de wieken, staat loodrecht in op de natuurlijke windsnelheid en is meestal groter (tussen de 6 en 20m/s).

De relatieve windsnelheid kan men bekomen door het vectorieel optellen van deze 2 windsnelheden. De relatieve windsnelheid wordt dus ook gevormd door de resultante van de natuurlijke windsnelheid en de windsnelheid ontstaan door het draaien van de wieken.

De hoek van de relatieve windsnelheid bepaalt de uiteindelijke werking van de wieken. Dit komt omdat de liftkracht hier loodrecht op werkt. Hierdoor moet deze hoek zo groot mogelijk worden zonder dat stall wordt veroorzaakt.

8c4eb93c82ba0534e6b8008c09ea6760_1402414

Figuur 49: Vectordiagram van de winkracht op de wieken (onderkant wieken is de voorkant van de turbine)

 

 

3.4                    Windenergie-technologie

fde101908af4d1ff45a418b9d46c5a9e_1402414

Figuur 50: Opwekken van windenergie

 

3.4.1               Van wind tot elektriciteit

Wind ontstaat onder invloed van luchtdrukverschillen en door de draaiing van de aarde. Wind is daarom een vorm van kinetische energie, het is de beweging van lucht en daarom van deeltjes van een massa. De energie in de wind kunnen we daarom in de volgende formule zetten:

310ea3e161c2ddc54096f18758f17ab4_1402414

 

Zoals eerder vermeld, is de windsnelheid van groot belang, een windrijke locatie is daarom essentieel voor de planning van een rendabel windproject. Wanneer men windturbines gaat ontwerpen, moeten deze zo groot en zo hoog mogelijk ontworpen worden. Ook lucht ondervindt een wrijvingsweerstand, daarom waait het boven de zee of grote vlakten harder. Hoog in de wolken is de invloed van de grond erg klein, daarom dat windturbines vaak op hoge masten staan.

Zoals eerder gezegd, zet een windturbine windenergie om in elektriciteit.

99edcad2b1f6579dcefd98f9a37e4ac9_1402414

Figuur 51: Weg afgelegd van windmolen tot elektriciteit

De wieken zijn steeds naar de wind gericht. De rotorbladen worden door de wind de hoogte ingeduwd waardoor er een roterende beweging ontstaat.

 

Door middel van de generator wordt deze beweging dan omgezet in elektriciteit.

92e933a316c679cb7f141dc936e01280_1402414

Figuur 52: Lift- en dragkracht

Wind blaast met een bepaalde kracht tegen het rotorblad, door de vorm en de positie van dat blad ontstaat er een kracht die het rotorblad omhoog duwt, omhoog “lift” en naar achter duwt, “drag”. De liftkracht is de kracht die voor de roterende beweging zorgt. De dragkracht duwt niet alleen de rotorbladen, maar de hele windturbine naar achter, dit is natuurlijk niet erg positief. Maar omdat het rotorblad aerodynamisch van vorm is, wordt de liftkracht maximaal en de dragkracht minimaal.

 

Moderne rotorbladen kunnen zo gedraaid worden dat men een optimale draaisnelheid kan realiseren. Niet alleen de rotorbladen kunnen gedraaid worden maar men kan de hele turbine in de juiste richting zetten door middel van de kruimotor.

De as die door de rotorbladen wordt aangedreven loopt via tandwielen naar een generator. In deze generator wordt de stroom dan opgewekt door de draaiing.

De generator in de turbine levert elektriciteit op een laag spanningsniveau van ongeveer 650 volt. De transformator verhoogt dan die spanning tot midden spanningsniveau (3 000 tot 50 000 volt). Bij grote windparken wordt de spanning meestal omgezet naar het hoogspanningsniveau. Deze spanning ligt dan tussen de 110 000 en 380 000 volt.

De elektriciteit die er geproduceerd wordt, is afhankelijk van de draaisnelheid of met andere woorden van de windsnelheid. Omdat wind niet constant met dezelfde snelheid waait, varieert de elektriciteitsproductie. Daarom is er tussen de windturbine en het elektriciteitsnet een transformator nodig die de stroom omzet, zodat deze zonder problemen aan het elektriciteitsnet kan worden geleverd.

De snelheid van de wind bepaalt niet enkel de hoeveelheid stroom die er geproduceerd wordt maar ook de krachten die er onvermijdelijk op de turbine komen te staan. Bij een lage windsnelheid wordt er weinig kracht uitgeoefend op de rotorbladen, daardoor kan de turbine geen elektriciteit produceren. Wanneer de windsnelheid echter te groot is, komt er teveel kracht op de turbine te staan. Daardoor kunnen er gevaarlijke situaties ontstaan. Daarom heeft men bij de realisatie van een windturbine gezorgd voor een cut-in en cut-out snelheid. De cut-in snelheid is de snelheid vanaf het moment dat de windturbine begint met draaien. De cut-out snelheid is de snelheid waarbij de windturbine wordt stilgezet, dit omdat de krachten op de turbine veel te groot zou kunnen worden.

6ffcf3e70d6b21326b87c89d23ad15d1_1402414

Figuur 53: Windsnelheid in functie van het vermogen

Men probeert de windturbine steeds zo te ontwerpen dat hij optimaal werkt bij de meest voorkomende windsnelheid.

Men probeert ook op een andere manier zo optimaal mogelijk gebruik te maken van de wind, dit door de hoogte van de mast. Men bouwt hogere masten omdat het hoger vaak harder waait maar een mast wordt ook niet hoger gemaakt dan nodig omdat de kosten dan erg oplopen.

 

Het vermogen van een windturbine geeft aan wat die turbine theoretisch kan produceren. Zo kan een turbine van 3MW[7] (3 000kW) maximaal 3 000kWh[8] stroom per uur produceren. Een windturbine kan deze maximale hoeveelheid stroom leveren bij een windsnelheid vanaf 10 tot 15 meter per seconde, dat is dan bij windkracht 6. Een windturbine kan echter al elektriciteit leveren bij windkracht 2 maar vanaf windkracht 6 is de productie echter maximaal. Vanaf windkracht 10 legt men de windturbine meestal stil om schade te vermijden.

Bij windturbines spreekt men steeds over het opgestelde vermogen, dat wordt uitgedrukt in MW, de meestgebruikte turbines hebben vandaag de dag een vermogen van 2 of 3MW.

De windturbines die op zee ingezet worden hebben daarentegen een vermogen van 7,5MW

Om de hoeveelheid elektriciteit die windenergie bezit uit te drukken, maken we gebruik van de volgende formule:

 

9e743f70d742aad6cc78e84845fc6259_1402414

Figuur 54: Energie uit wind

Uit deze formule kunnen we afleiden dat de windenergie evenredig is met het oppervlak die de rotorbladen beschrijven. Met andere woorden hoe groter de diameter van de rotorbladen des te meer energie er kan worden opgewekt. De meest belangrijke factor in deze formule is de windsnelheid, omdat deze tot de derde macht staat. De windsnelheid op zee kan echter vaak twee keer zo groot zijn als de windsnelheid in het binnenland. Dat wil dus zeggen dat de energie in deze wind 8 (2³) keer zo groot is. Daaruit kan men besluiten dat het erg belangrijk is om de windturbine op de juiste plaats te bouwen.

Nu we weten hoeveel energie in wind zit, moeten we deze energie ook kunnen omzetten in elektriciteit en daarom gebruiken we nu net een turbine.

 

Niet alle energie kan uit de wind gehaald worden. De Duitser Betz rekende dat in 1962 uit. Hij bewees dat maximaal 59% van de energie in de wind omgezet kan worden naar vermogen op de as van de windturbine. Dit noemt men de wet van Betz.

 

3.4.2             Bepaling van de rotordiameter 

286314e53967000df55ccb189fe913b5_1402414

Figuur 55: Rotordiameter

In de beginperiode hadden de windturbines slechts twee wieken, naarmate deze in omvang toenamen, stapte men over op drie rotorbladen. De lengtes van de wieken zijn in de loop der jaren ook groter geworden. In de jaren 80 had de rotor een diameter van gemiddeld 15 meter, nu spreken we al van diameters van 160 meter en de verwachting is dat deze groei nog verder zal doorgaan.

6efad67672bdab4031f66d2ea180e005_1402414

Figuur 56: Rotordiameter en opbrengst


 

De rotordiameter van een windturbine hangt af van 3 zaken: het vermogen van de generator, de masthoogte en het vermogen van de wind waar de mast komt te staan. Aan de kust waait het harder dan in het binnenland. Daarom moet een windturbine verder weg van de kust, een hogere mast hebben en eventueel ook langere wieken.

De grootte van de rotor speelt een belangrijke rol bij de hoeveelheid energie die wordt opgewekt. Bij horizontale windturbines is het rotoroppervlak (A) evenredig met de tweede macht van de rotordiameter: A=d²/4.p.

Dit heeft als gevolg dat een verdubbeling van de rotordiameter resulteert in een verviervoudiging van de elektriciteitsopbrengsten.

Het rotoroppervlak is een erg belangrijke factor voor het rendement van een windturbine. Door het vermogen van de turbine te delen door het rotoroppervlak ziet men of de turbine efficiënt is voor de plaats waar men deze turbine wil plaatsen.

 

 

Windturbines worden ingedeeld in klassen al naargelang hun vermogen per rotoroppervlak (W/m²). Deze klassen zijn de IEC-klassen, deze duiden aan of de turbine al dan niet geschikt is voor op het land aan de kust of op zee.

 

94c5d3161e17cdf065ccff1d5b9c66d7_1402414

Figuur 57: Doorsneden rotbladen in functie van het vermogen

2013dd887d8dc5ad8558f14141930b20_1402414

Tabel 2: Klassen van een turbine

De elektriciteitsproductie van een windturbine wordt voornamelijk bepaald door de gemiddelde windsnelheid per jaar, gemeten op ashoogte en door de rotor bestreken oppervlak (de rotordiameter). Dat kunnen we aantonen met de volgende formule voor de jaarproductie:

42dfe029912d57582f4413361875a0d3_1402414

 

C is een maat voor het totale rendement van de turbine. De waarde van C ligt lager als de gemiddelde windsnelheid hoger is. Deze hangt ook nog af van de kwaliteit van de windturbine. De opbrengstfactor varieert van 2,8 aan de kust tot 4,0 in het binnenland, voor een gemiddelde windlocatie en een kwalitatief goede turbine kan men 3,7 aannemen.

 

Uit de formule is af te leiden dat wanneer de rotordiameter dubbel zo groot is, er 4 keer zoveel energie geproduceerd wordt. De wind is nog belangrijker: wanneer de windsnelheid dubbel zo groot is, dan wordt de productie bijna 8 keer zo groot. Er staat “bijna” omdat C een beetje lager wordt bij een hogere windsnelheid.

 

 

 

[1] Distributiepost:              Toestel die de geproduceerde elektrische energie in het netwerk injecteert.

[2] Windvaan:        Een instrument dat bepaald uit welke richting de wind komt.

[3] Metaalmoeheid:             Verschijnsel waardoor bepaalde eigenschappen van metalen constructies verloren gaan. Hierdoor ontstaan er scheuren, breuken…

[4] Epoxyhars:       Epoxy is een kunststof dat in combinatie met glasvezel wordt toegepast als stevig en

lichtgewicht materiaal. Op deze manier vervaardigde composieten zijn weer- en waterbestendig

[5] Bft:                    Een afkorting voor Beaufort. Deze eenheid wordt gebruikt om de snelheid, kracht van de

wind uit te drukken

[6] Nominaal toerental:       Het maximaal toerental dat de windmolen aankan zonder dat deze stil gelegd

moet worden

[7] MW:   Megawatt is een afgeleide eenheid van vermogen. 106W = 1MW

[8] kWh:   Een eenheid van arbeid of een hoeveelheid van elektrische energie.

 

BRONVERMELDING

Reacties (0) 

Voordat je kunt reageren moet je aangemeld zijn. Login of maak een gratis account aan.