Hoe werken windturbines?

Van wind naar electriciteit

Windturbines zetten de kinetische energie van de wind om in electriciteit.

In onderstaand tekening worden de verschillende onderdelen van een Horizontale As Wind Turbine (HAWT) getoond.

Rotor en blades: Door de de instroom van wind gaan de bladen draaien. Hierdoor gaat de rotor draaien die gekoppeld is aan een horizontale as aan de rotor. Via een overbrenging wordt een generator aangedeven.
Pitch: Dit is de mogelijkheid tot het verdraaien van de bladen. Hiermee kan, tot een bepaald niveau, het vermogen worden geoptimaliseerd / geregeld.
Brake: Een mechanisch remsysteem ter voorkoming van te hoge toerentallen en voor het stilzetten van de windturbine (voor bijvoorbeeld onderhoud).
Yaw control system: Een, in dit geval, actief krui-controle systeem. Met een krui controle systeem kan de windturbine passief of actief in of uit de wind worden gedraaid. Een krui-controle systeem zorgt er tevens voor dat de windturbine met een wenselijke vertraging op een verandering van de wind reageert. Bij kleine windturbine wordt hiertoe een grote vaan of staartvin geplaatst. Hierdoor zal de turbine zich in de wind richten.
Nacelle: dit is de omhuizing van de draaiende en electronische onderdelen.
De controller: Aan de hand van externe factoren zoals gegevens vanuit een weerstation of de vraag naar strooom en interne factoren zoals systeemcondities kunnen systemen en opbrengst worden bijgeregeld.
De generator: Hiermee wordt stroom opgewekt. Veelal zijn diverse stroomconfiguraties mogelijk. Zoals variatie in voltage.

Bijna alle moderne windturbines maken gebruik van een generator gebaseerd op permanente magneten. Deze magneten roteren rondom een spoel (wikkeling) of vice versa waarmee electriciteit opgewekt. De magneten gaan in de regel meer dan 25 jaar mee, een windturbine leven lang.

Een windturbine levert AC stroom, wisselspanning, maar deze fluctueert in frequentie met het toerental van de windturbine. Daarom wordt gebruikt gemaakt van een inverter die de wisselspanning omzet in gelijkspanning. Deze gelijkspanning, DC stroom, kan worden gebruikt voor het laden van accu's (12 of 24 Volt) of kan worden omgezet naar 'schone' wisselspanning (AC) gelijk aan de netspanning (bijvoorbeeld 230V, 50Hz).

Drag en lift

Wind energie kan op 2 manieren worden omgezet door gebruik te maken van luchtweerstand (drag) of liftkracht (lift). Luchtweerstand wordt gecreeerd door een oppervlakte aan een zijde bloot te stellen aan de wind en de andere zijde uit de wind te houden. Liftkracht echter buigt de wind af en produceert een kracht loodrecht op de richting van de wind. Het gebruik maken van liftkracht is efficienter dan gebruik te maken van luchtweerstand.

Bij het ontwerp van de ideale windturbine worden deze krachten nauwkeurig afgewogen.

De wet van Betz

De Wet van Betz beschrijft de mate waarin de in wind aanwezige energie kan worden omgezet. Volgens de Wet van Betz is de theoretisch maximale hoeveelheid energie die door middel van een rotor aan wind kan worden onttrokken 59%.

Deze grens van 59% wordt veroorzaakt doordat de lucht achter de turbine nog weg moet kunnen stromen en dus nog een zekere stromingsenergie moet bezitten.

De Betz limiet vormt eveneens de bovengrens voor waterturbines die energie onttrekken uit de vrije stroming van water.

In normale omstandigheden bedraagt het maximale windturbine rendement ongeveer 44%. Dit wordt ook wel de vermogenscoëfficiënt of Cp waarde genoemd. Deze omzetting verloopt in een aantal stappen:

As-vermogen. Dit is het vermogen dat beschikbaar is op de windturbine as. Het as-vermogen moet nog vermenigvuldigd worden met het
Mechanisch rendement en het
Generator rendement om tot het
Netto vermogen te bekomen.

Typen windturbines

Micro-windturbines zijn er in twee varianten:

HAWT: Horizontale As Wind Turbine
VAWT: Verticale As Wind Turbine

Het merendeel van de windturbines in Nederland zijn van het HAWT type. Van het VAWT type zijn vooral de Darrieus, Savonius en Turby vermeldenswaardig.

Een geheel nieuw type windturbine is de LIAM F1 windmolen ontwikkeld door The Archimedes. Deze HAWT windturbine bestaat uit drie cirkels die als spiralen in elkaar worden gewikkeld en uitgevouwen. Hierdoor ontstaat een driedimensionale conische turbine, vergelijkbaar met langwerpige schelpen die op het strand zijn te vinden.

De Archimedes Liam Urban Wind Turbine zou op de schaal van Betz een efficiency van maar lieft 52% behalen. Een mooie prestatie als men in ogenschouw neemt dat 59.3 % het theoretisch maximum van energie uit wind is. Met andere woorden de Liam Urban Windturbine haalt een rendement van bijna 90% (52/59,3).

De LIAM windt turbine zou bij een gemiddelde windsnelheid van 5 m/s 1200 tot 1500 kWh per jaar moet opleveren. De maximale opbrengst is 1500 Watt (uur) bij 18 m/s (wk 8). DGEM:

Een belangrijke eigenschap van de meeste windturbines met verticale as (VAWT) is het feit dat de wind uit alle richtingen op de turbine kan inwerken. Hierdoor kan een VAWT ook uit een turbulente windstroom energie halen, wat hem beter geschikt maakt voor stedelijke gebieden, of voor gebieden met veel obstakels.

Horizontale as turbines (HAWT) hebben een kruissysteem nodig om hun wieken naar de wind te draaien. Een HAWT moet dus altijd op een hoge mast geplaatst worden, waar de luchtstroming lineair verloopt.

Het nadeel van een VAWT is dat hij niet automatisch kan opstarten als de wind op de turbine inwerkt. De bladen van de turbine hebben immers een aanloopsnelheid nodig. De aandrijving die hiervoor benodigd is werkt negatief op het rendement. Bij een HAWT is geen start-aandrijving nodig. Zodra er voldoende wind is, kan de windturbine opgestart worden.

In de regel geldt echter hoe groter het rotoroppervlakte hoe hoger de opbrengst. Het ontwerp en materiaalgebruik maken natuurlijk ook een verschil zoals ook blijkt uit onderstaande prestatiecurve waarin diverse typen windturbines zijn uitgezet tegen de Wet van Betz.

De ene windturbine is de andere niet

Met de Groene Prijsvergelijker is een redelijke vergelijking tussen windturbines mogelijk. Omdat ervaringscijfers vooralsnog in de vergelijking ontbreken is het zaak deze te onderzoeken op forums en bij gebruikers.

Hierbij een aantal algemene tips (best practice):

Naast de fabrikant speelt natuurlijk ook de eventuele installateur een hoofdrol. Een windturbine is net zo goed als zijn implementatie.
Toerental: Machines die werken met lagere toerentallen hebben vaak minder onderhoud nodig en zijn in de regel minder gehorig. Houdt altijd tekening met groot onderhoud om de 10 jaar zoals het vervangen van lagers en eventueel de bladen.
Materiaal. Een windturbine draait heel veel uren. Het materiaal moet dus taai zijn. Lichtgewicht materialen kunnen ook duurzaam zijn, maar zwaardere materialen zijn vaak duurzamer.
Onderhoud. Neem de onderhoudskosten mee in eventuele berekeningen. Voer elke 2 jaar een inspectie uit zoals het controleren van electrische verbindingen, controleren op corrosie, toestand van de bladen en eventuele tuidraden, smeeronderhoud, etc. Houdt rekening met 1-2% per jaar voor onderhoudskosten. Windturbines gaan in de regel zo'n 20 jaar mee.