HOE WERKEN WINDTURBINES?

Send

Misschien heb je ze gezien terwijl je door het platteland reed. Of misschien zag je ze net voor de kust, groot aan de horizon met hun draaiende messen. Aan de andere kant heb je ze misschien op iemands dak gezien of als onderdeel van een kleinschalige stedelijke operatie. Ongeacht de locatie worden windturbines en windenergie een steeds vaker voorkomend kenmerk in de moderne wereld.

Veel hiervan heeft te maken met de dreiging van klimaatverandering, luchtverontreiniging en de wens om de mensheid af te leiden van haar afhankelijkheid van fossiele brandstoffen. En als het gaat om alternatieve en hernieuwbare energie, wordt verwacht dat windenergie in de toekomst (na zonne-energie) het op één na grootste marktaandeel zal innemen. Maar hoe werken windturbines precies?

Omschrijving:

Luchtturbines zijn apparaten die de kinetische energie van wind en luchtstroom veranderen in elektrische energie. Over het algemeen bestaan ze uit de volgende componenten: een rotor, een generator en een structurele ondersteunende component (die de vorm kan aannemen van een toren, een rotor-giermechanisme of beide).

Een rotor bestaat uit de bladen die de windenergie opvangen en een as, die de windenergie omzet in rotatie-energie op lage snelheid. De generator - die op de as is aangesloten - zet de langzame rotatie om in hoge energie met behulp van een reeks magneten en een geleider (die meestal uit opgerolde koperdraad bestaat).

Wanneer de magneten met de koperdraad ronddraaien, veroorzaakt dit een verschil in elektrische potentiaal, waardoor spanning en een elektrische stroom ontstaan. Ten slotte is er de structurele ondersteunende component, die ervoor zorgt dat de turbine ofwel hoog genoeg staat om veranderingen in de winddruk optimaal op te vangen en / of naar de windrichting gericht te zijn.

Soorten windturbines:

Op dit moment zijn er twee hoofdtypen windturbines: windturbines met horizontale as (HAWT) en windturbines met verticale as (VAWT). Zoals de naam al doet vermoeden, hebben horizontale windturbines een hoofdrotoras en een elektrische generator bovenaan een toren, met de bladen in de wind gericht. De turbine staat meestal tegen de wind in van de steuntoren, aangezien de toren er waarschijnlijk turbulentie achter zal veroorzaken.

Turbines met verticale as (nogmaals, zoals de naam al aangeeft) hebben de hoofdrotoras verticaal opgesteld. Deze zijn doorgaans kleiner van aard en hoeven niet in de richting van de wind te worden gericht om te draaien. Hierdoor kunnen ze profiteren van wind die qua richting variabel is.

Over het algemeen worden windturbines met horizontale as als efficiënter beschouwd en kunnen ze meer vermogen produceren. Hoewel het verticale model minder elektriciteit genereert, kan het op lagere hoogten worden geplaatst en heeft het minder componenten nodig (met name een giermechanisme). Windturbines kunnen ook worden onderverdeeld in drie algemene groepen op basis van hun ontwerp, waaronder de Towered-, Savonius- en Darrieus-modellen.

Het torenmodel is de meest conventionele vorm van HAWT, bestaande uit een toren (zoals de naam al doet vermoeden) en een reeks lange bladen die voor (en parallel aan) de toren zitten. De Savonis is een VAWT-model dat vertrouwt op voorgevormde bladen (scheppen) om wind en spin vast te leggen. Ze zijn over het algemeen laag rendement, maar hebben het voordeel dat ze zelfstartend zijn. Dit soort turbines maken vaak deel uit van windoperaties op het dak of worden op zeeschepen gemonteerd.

Het Darrieus-model, ook bekend als een "Eggbeater" -turbine, is vernoemd naar de Franse uitvinder die het ontwerp pionierde - Georges Darrieus. Dit VAWT-model maakt gebruik van een reeks verticale lamellen die parallel aan de verticale ondersteuning zitten. Ze hebben over het algemeen een laag rendement, vereisen een extra rotor om te kunnen draaien, produceren een hoog koppel en leggen een hoge druk op de toren. Daarom worden ze als onbetrouwbaar beschouwd als het gaat om ontwerpen.

Geschiedenis van ontwikkeling:

Windenergie wordt al duizenden jaren gebruikt om zeilen te duwen, windmolens aan te drijven of om druk te genereren voor waterpompen. De vroegst bekende voorbeelden zijn afkomstig uit Centraal-Azië, waar windmolens die in het oude Perzië (Iran) werden gebruikt, dateren van tussen de 500 en 900 CE. De technologie begon in de middeleeuwen in Europa te verschijnen en werd in de 16e eeuw een algemeen kenmerk.

Tegen de 19e eeuw, met de ontwikkeling van elektrische stroom, werden de eerste windturbines gebouwd die elektriciteit konden opwekken. De eerste werd in 1887 geïnstalleerd door de Schotse academicus James Blyth om zijn vakantiehuis in Marykirk, Schotland, te verlichten. In 1888 bouwde de Amerikaanse uitvinder Charles F. Brush de eerste geautomatiseerde windturbine om zijn huis in Cleveland, Ohio van stroom te voorzien.

Aan het begin van de 20e eeuw begonnen windturbines een algemeen middel te worden om huizen in afgelegen gebieden (zoals boerderijen) van stroom te voorzien. In 1941 werd in Vermont de eerste megawatt-klasse windturbine geïnstalleerd en aangesloten op het lokale elektriciteitsnet. In 1951 installeerde het VK zijn eerste windturbine op het elektriciteitsnet op de Orkney-eilanden.

In de jaren zeventig vorderde het onderzoek naar en de ontwikkeling van windturbinetechnologie aanzienlijk dankzij de OPEC-crisis en protesten tegen kernenergie. In de daaropvolgende decennia begonnen zich in West-Europese landen en de Verenigde Staten verenigingen en lobbyisten op te richten die zich toeleggen op alternatieve energie. Tegen het laatste decennium van de 20e eeuw deden soortgelijke inspanningen zich voor in India en China als gevolg van toenemende luchtverontreiniging en stijgende vraag naar schone energie.

Windkracht:

In vergelijking met andere vormen van hernieuwbare energie wordt windenergie als zeer betrouwbaar en stabiel beschouwd, aangezien wind van jaar tot jaar consistent is en niet afneemt tijdens piekuren van de vraag. Aanvankelijk was de bouw van windparken een kostbare onderneming. Maar dankzij recente verbeteringen is windenergie begonnen met het vaststellen van piekprijzen op de groothandelsmarkten voor energie wereldwijd en heeft het de inkomsten en winsten van de fossiele-brandstofindustrie verlaagd.

Volgens een rapport van het ministerie van Energie van maart 2015 zou de groei van windenergie in de Verenigde Staten in veel categorieën kunnen leiden tot nog meer hooggekwalificeerde banen. Met de titel 'Windvisie: een nieuw tijdperk voor windenergie in de Verenigde Staten', geeft het document aan dat de industrie in 2050 maar liefst 35% van de Amerikaanse elektriciteitsproductie zou kunnen vertegenwoordigen.

Daarnaast kwamen in 2014 de Global Wind Energy Council en Greenpeace International samen om een rapport te publiceren getiteld "Global Wind Energy Outlook 2014". Dit rapport stelde dat windenergie wereldwijd tegen 2050 maar liefst 25 tot 30% van de wereldwijde elektriciteit zou kunnen leveren. Op het moment van schrijven van dit rapport hadden commerciële installaties in meer dan 90 landen een totale capaciteit van 318 gigawatt (GW), wat een ongeveer 3,1% van het wereldwijde aanbod.

Dit betekent een bijna zestienvoudige toename van het adoptiegraad sinds het jaar 2000, toen windenergie minder dan 0,2% bedroeg. Een andere manier om ernaar te kijken zou zijn te zeggen dat het marktaandeel van windenergie in minder dan 15 jaar vier keer is verdubbeld. Dit plaatst het op de tweede plaats alleen voor zonne-energie, die in dezelfde periode zeven keer verdubbelde, maar nog steeds wind volgt in termen van zijn totale marktaandeel (ongeveer 1% tegen 2014).

Wat de nadelen betreft, is een consequent aan de orde gesteld probleem het effect van windturbines op de lokale fauna en de verstoring van hun aanwezigheid op het lokale landschap. Deze bezorgdheid is echter vaak opgeblazen door speciale belangengroepen en lobbyisten die windenergie en andere hernieuwbare energiebronnen in diskrediet willen brengen.

Zo heeft een onderzoek uit 2009 van het National Renewable Energy Laboratory vastgesteld dat minder dan 1 hectare per megawatt permanent wordt verstoord door de bouw van grootschalige windmolenparken, en dat minder dan 3,5 hectare per megawatt tijdelijk wordt verstoord. In dezelfde studie werd geconcludeerd dat de gevolgen voor vogels en vleermuizen relatief laag zijn en dat dezelfde conclusies gelden voor offshore-platforms.

Over de hele wereld zoeken overheden en lokale gemeenschappen naar windenergie om in hun energiebehoeften te voorzien. In een tijdperk van stijgende brandstofprijzen, groeiende bezorgdheid over klimaatverandering en verbeterde technologie is dit niet verrassend. Met de huidige acceptatiegraad zal het waarschijnlijk halverwege de eeuw een van de grootste energiebronnen zijn.

En geniet zeker van deze video over windturbines, met dank aan NASA's Lewis Research Center:

We hebben bij Space Magazine veel interessante artikelen geschreven over windturbines en windenergie. Hier is wat is alternatieve energie? Wat zijn fossiele brandstoffen? Wat zijn de verschillende soorten hernieuwbare energie? Windenergie op de oceaan (met hulp van de ruimte)

Bekijk voor meer informatie het artikel van How Stuff Works over de geschiedenis en mechanica van windenergie en NASA's Greenspace-pagina.

Astronomy Cast heeft ook enkele afleveringen die relevant zijn voor het onderwerp. Hier is aflevering 51: aarde en aflevering 308: klimaatverandering.

Bronnen: