De Windturbine


Direkt zum Seiteninhalt

De theorie achter de windturbine.


Een wondmolen is een apparaat waarin verschillende technieken gecombineerd worden. Denk hierbij aan de generator, versnellingsbak, besturingssysteem maar ook de vorm van de vleugels.
Buiten het combineren van deze verschillende technieken is het voor de effectiviteit van de windturbine ook belangrijk waar hij geplaatst
In dit hoofdstuk wordt de werking van enkele componenten besproken maar ook de meest gunstige plaats om een windturbine te bouwen.


Een aantal technieken gecombineerd in de windturbine.


De werking van een generator.

De generator van de windturbine is het onderdeel waar de windenergie omgezet wordt in elektriciteit.
De werking van een dynamo of generator is gebaseerd op het principe van
INDUCTIE SPANNING.
Inductie spanning ontstaat wanneer een geleider zich in een magnetisch veld bevindt van wisselende sterkte, het magnetisch veld verandert dus van sterkte. Door het wisselen van de sterkte van het magnetische veld, wordt er een spanning over de geleider opgewekt, naarmate de sterkte van het veld veranderd, veranderd ook de spanning over de geleider. De opgewekte spanning is dus altijd een wisselspanning. Dit verschijnsel is het bekend als
“De wet van Faraday”.

De wet van Faraday:
Als de door een spoel omvatte magnetische flux verandert, ontstaat over de uiteinden van die spoel een spanning.


Hierin in N het aantal windingen van de spoel en
de verandering van de door de spoel omvatte flux

De werking van een generator is in principe hetzelfde als die van een dynamo. Een dynamo bestaat uit een aantal magneten met een aantal spoelen. De dynamo of generator bestaat uit een vast deel, de stator en een draaiend deel, de rotor.
De stator of rotor kan beide draaiend of stilstaand uitgevoerd worden. Bij een dynamo (levert een laag vermogen) wordt de magneet als stator uitgevoerd en de spoelen als rotor. De energie wordt vervolgens door het gebruik van koolborstels afgevoerd.
Bij een generator worden de spoelen als stator uitgevoerd en de magneten als rotor. Dit heeft als voordeel dat de grote opgewekte spanningen direct via de as van de stator afgevoerd kunnen worden. Voor het afvoeren van de opgewekte spanning zijn dus geen koolborstels nodig.
De werking van een wisselspanninggenerator en een gelijkspanninggenerator is zoals al eerder genoemd identiek. Het enige verschil is dat bij een gelijkspanningsgenerator de wisselspanning door een commutator (omkeerschakelaar) wordt omgezet in gelijkspanning.


De werking van een transformator.

Het doel van een transformator is om een hoge spanning om te zetten in een lage spanning of omgekeerd.

Een transformator bestaat uit een weekijzeren kern, waarom 2 spoelen met een verschillend aantal wikkelingen gewikkeld zijn. De spoelen worden de primaire en secundaire spoel genoemd.



De werking van de transformator is gebaseerd op
de wet van Lenz.

De wet van Lenz:

De inductiestroom heeft een zodanige richting dat hij de oorzaak van zijn ontstaan tegenwerkt.

De wisselspanning die omlaag, dan wel omhoog getransformeerd moet worden, wordt op de primaire spoel aangesloten. De wisselspanning zorgt ervoor dat in de primaire spoel de magnetische veldlijnen continue veraderen (de magnetische flux veranderd dus voortdurend) en wekt een inductiespanning op over de spoel. De weekijzeren kern heeft als functie dat de magnetische veldlijnen naar de secundaire spoel geleid worden. Dit heeft weer als gevolg dat het aantal magnetische veldlijnen in de secundaire spoel voortdurend veranderen, dus komt over deze spoel een inductiespanning te staan.
De verhouding van de spanning over de primaire spoel en de spanning over de secundaire spoel is gelijk aan de verhouding van het aantal windingen van de primaire spoel ten opzichte van de secundaire spoel.

In formule vorm:



Waarin:
U p = Spanning over de primaire spoel.
U s = Spanning over de secundaire spoel.
N p = Aantal windingen primaire spoel.
N s = Aantal windingen secundaire spoel.

De transformator zorgt er dus voor dat de spanning opgewekt door de generator naar het juiste niveau gebracht wordt. Bij een windturbine is dit 10.000 of 30.000 Volt.


De werking van de rotor.

De werking van de bladen van een rotor is gebaseerd op de werking van een vliegtuigvleugel. Een vliegtuig vliegt doordat de zwaartekracht gecompenseerd wordt door een verticaal omhoog gerichte kracht genaamd liftkracht. De rotorbladen of wieken hebben dan ook een vergelijkbaar profiel met dat van een vliegtuigvleugel.
De rotorbladen van een windmolen zijn onder een hoek van 18 graden geplaatst ten opzichte van wind. Deze hoek wordt ook
aanstroomhoek genoemd. Deze hoek is de hoek die de middenlijn van een dwarsdoorsnede van een vleugel maakt met de windrichting.

De windrichting ten opzichte van het rotorblad (rode pijl is de windrichting).




De windturbine dient zo effectief mogelijk te zijn, ook bij lage windsnelheden. Omdat bij hoge windsnelheden de krachten op de rotorbladen en daarmee op de hele constructie, te groot worden, zijn de rotorbladen verstelbaar gemaakt. Zodoende kan bij een grotere windkracht, de liftkracht van het rotorblad aangepast
worden, zodat de kracht uitgeoefend op de constructie binnen de gestelde norm blijft.


Het principe van Bernoulli.

De natuurkundige Bernoulli beschreef in de 18 eeuw dat een toename in de snelheid van een vloeistof of gas gepaard gaat met een verlaging van de druk in die vloeistof of dat gas. Op dit principe is de werking van een vliegtuigvleugel of rotorblad gebaseerd. Omdat de bovenkant van een blad langer is dan de onderkant, legt de langsstromende lucht daar een langere weg af, wat resulteert in een lagere druk in verhouding tot de lucht die langs de onderkant van het blad stroomt.

De wieken worden omhoog gedrukt door de lucht (wind). Doordat de rotorbladen in het midden van de rotor aan elkaar vast zitten en gemonteerd zijn op een draaibare as, beginnen de wieken te draaien. Als een wiek een halve slag is gedraaid, staat de vleugel op de kop waardoor de wind de vleugel naar beneden drukt. De lucht geeft dus altijd een kracht naar één kant.

Formules.
De formules die een rol spelen bij het opwekken van kracht op de rotorbladen bespreken we hieronder.

P=½*m*v2
Hierin is
:P - het vermogen in Nm/s of in wattm - de massa van de lucht in kg/m3v - de snelheid van de lucht in m/s

De massa van de lucht door de rotor wordt als volgt beschreven:

m= ñ*A*v
Hierin is:
m - de massa van de lucht in kg/sñ - de dichtheid van de lucht in kg/m3 (=1,23)A - het rotoroppervlak in m2 (2*ð*rr = straal)v - de snelheid van de lucht in m/s
Als we deze formules combineren krijgen we de volgende formule voor het vermogen die de wind maximaal levert:

P=½* ñ*A*v3

Het vermogen dat werkelijk geleverd wordt wijkt echter af. Dit ligt aan de grootte en vorm van de rotorbladen. De meeste windturbines worden ontworpen om vanaf een windsnelheid van 12.5 m/s (45 km/h) een optimaal vermogen te leveren. Bij windsnelheden van ca 25 m/s (90 km/h) worden de meeste turbines stopgezet omdat dan de kans op schade te groot wordt.
Verder speelt de weerstand die door de verschillende componenten van de windturbine wordt geleverd ook een rol. De generator, tandwielkast en aandrijfas zorgen ook voor een bepaalde weerstand die energie kost, hierdoor gaat dus vermogen verloren.
De formule voor de liftkracht van een vleugel, dus ook voor een wiek van de windturbine, aangezien deze dezelfde vorm heeft, is de volgende formule:



Hierin is:FL - de liftkrachtV - de luchtsnelheid ten opzichte van de wiekñ - de dichtheid van lucht (1,23 kg/m3)A - het oppervlak van de wiek
CL - Liftcoëfficiënt. Deze heeft voor een vleugelachtig oppervlak van de wiek al een positieve waarde bij een aanstroomhoek van 0 graden.
Dat komt doordat de lucht over de gebogen achterkant al naar beneden wordt afgebogen als de koorde van de wiek evenwijdig met de luchtstroom staat. Bij een bepaalde kritische hoek (meestal tussen de 10 à 20 graden) neemt de liftkracht plotseling zeer sterk af.



Wat is de beste vorm voor een rotorblad.

Door een rotorblad met een optimaal profiel te kiezen, kan de efficiëntie van de windturbine beïnvloedt worden.
Er bestaan verschillende types rotorbladen nl:
1 Bolle bovenkant- platte onderkant.
2 Bolle bovenkant- holle onderkant.
3 Platte bovenkant- platte onderkant.

Het meest wordt gekozen voor type 1. Dit is de traditionele vliegtuigvleugel. De efficiëntie van dit model zit in het grote verschil in stroomsnelheid van de lucht tussen de bolle bovenkant en platte onderkant. De lucht moet langs de bovenkant een langere weg afleggen en de krachten worden anders afgebogen. Hierdoor ontstaat er een verschil in druk aan de boven en onderkant van het rotorblad. Hoe groter het verschil, hoe eerder de rotor gaat draaien (zie afbeelding). De kracht die op het rotorblad door de wind wordt uitgeoefend wordt ook anders afgebogen als bij een recht oppervlak.


Bij het 2 en 3 type is dit verschil in stroomsnelheid kleiner of niet aanwezig. Bij het 3 type draait de rotor rond omdat de krachten afgebogen worden maar niet door het verschil in luchtsnelheid.

Op onderstaande afbeelding is het profiel van het rotorblad van een moderne windturbine duidelijk te zien. Tevens is zichtbaar dat het rotorblad vanaf het bevestigingspunt naar de tip smaller en dunner wordt. Dit is nodig om de middelpuntvliedende kracht te beperken
.

Rotorblad.

Windturbine kamperland.

Hoeveel rotorbladen?

In principe wordt er bij een moderne windturbine altijd gekozen voor een oneven aantal van rotorbladen.
Het rotorblad dat de mast passeert wordt veel minder doorgebogen dan de rotorbladen die op dat moment vrij staan. Als het rotorblad rechtop staat, ondervindt het de grootste kracht. Als we nu een even aantal rotorbladen hebben, dan wordt het rotorblad dat de mast passeert nauwelijks doorgebogen terwijl het rotorblad dat dan recht omhoog staat de maximale windkracht ondervindt. Dit heeft een nadelige invloed voor de constructie, deze wordt dan meer belast dan dat een rotorblad op 9.30 uur en een op 2.30 uur staat (denk aan een klok).
In het verleden zijn windturbines met 2 rotorbladen en zelfs met 1 rotorblad gebouwd (met een contragewicht op 180? geplaatst), dit wordt nu echter niet meer toegepast. Het enige voordeel van deze constructies is dat de kosten van 1 of 2 rotorbladen gespaard worden. De turbines met 1 of 2 rotorbladen hebben een hoger toerental nodig om hetzelfde vermogen te leveren.














Zurück zum Seiteninhalt | Zurück zum Hauptmenü