De windturbine

De windturbine

De windturbine

Het opbouwen van de windturbine is specialistenwerk.

In onderstaande fotoreportage krijg je een indruk van de werkzaamheden.

Foto reportage opbouwen windmolen

 

 

 

 

 

 

Het ontwerp van de fundering is op land en op zee verschillend.

In onderstaande video zie je de opbouw op land.

In de link onder de video staan voorbeelden van fundatie op zee.

Fundatie op land

Fundatie op zee

Indeling van windturbines

We kunnen windturbines op verschillende manieren indelen:

  • Het aerodynamische werkingsprincipe (weerstand of lift);
  • De positie van de rotor as (verticaal of horizontaal);
  • Het aantal rotorbladen (1-,2-, 3- of multi-blade).

Het aerodynamisch werkingsprincipe

weerstandprincipe

Vermogen opwekken met behulp van wind kan in principe op 2 manieren. Het gebruik maken van de weerstand  van een bepaalde vorm wordt het weerstandsprincipe genoemd (Eng. Drag).

 

De maximale cp waarde die op basis van het weerstandsprincipe kan worden behaald is ongeveer 0,2. Ook is de tip-snelheid verhouding (l) erg laag, kleiner dan 1. Dit type windturbine komt hierdoor bijna niet voor. 

Liftprincipe

Als een voorwerp de vorm van een vleugelprofiel heeft (zoals bij vliegtuigen) dan veroorzaakt de langsstromende lucht een opwaarts kracht die lift wordt genoemd. Dit wordt het liftprincipe genoemd. Het lift principe wordt behalve bij vliegtuigen ook bij zeilboten toegepast. Moderne grote windturbines maken gebruik van het liftprincipe.

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 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.

 

Verschillende rotor uitvoeringen

Aantal rotorbladen

Windturbines met een lage tip-snelheid verhouding (l) en veel bladen (de zogenaamde multi-blade rotor) hebben een hoog koppel bij een laag toerental. Hierdoor zijn ze geschikt om direct een waterpomp aan te drijven. In het algemeen geldt hoe meer bladen hoe lager het toerental van de rotor.

 

 

Meer bladige rotor

Een voorbeeld van een ‘multi-blade’ rotor is de Amerikaanse windmolen. Door het grote aantal metalen rotorbladen heeft de rotor een laag toerental bij een hoog koppel. Deze windmolens worden nog steeds toegepast voor het direct aandrijven van waterpompen

1-, 2- en 3 bladen turbine:

De meeste moderne multi-megawatt windturbines hebben drie rotorbladen. Er wordt voor drie bladen gekozen omdat het toerental lager is ten opzicht van een rotor met minder bladen. Dit geeft visueel een rustiger beeld en wordt esthetisch meer gewaardeerd wat belangrijk is voor de acceptatie door de omwonenden. Een lagere tip-snelheid verhouding (l) produceert ook minder geluid. Een ander voordeel van een rotor met drie bladen is een lagere dynamische belasting van de toren. Deze wordt minder complex omdat een rotor met twee bladen veel meer last heeft van mast-terugslag en een wisselend traagheidsmoment. Bij een rotor met één blad zijn deze verschijnselen nog groter waardoor deze bijna niet worden toegepast.

 

 

 

Mast-terugslag en een variatie in de het traagheidsmoment ontstaat bij een 2-bladige rotor als de bladen verticaal staan. Het blad voor de toren levert op dat moment geen vermogen. Dit veroorzaakt een grote dynamische belasting op de toren. Daarom wordt bij een 2-bladige rotor de bladen scharnierend bevestigd. 

en rotor met twee bladen heeft ook voordelen. Een blad minder betekent minder materiaal, minder montage werkzaamheden dus een kosten besparing. De rotor heeft een hoger toerental ten opzichte van een windturbine met drie bladen. Dat heeft tot gevolg dat een eventuele tandwielkast kleiner en dus goedkoper kan worden uitgevoerd. De moderne windturbines draaien meestal rechtsom (kijkend naar de naaf van de rotor).

Vermogenscoëfficiënt als functie van tip-snelheid verhouding

Tipsnelheid (omtreksnelheid)

De tipsnelheid is de omtreksnelheid van een rotorblad en kan als volgt worden berekend:

 

\(v_{tip}=π∙D_r∙n_r\)

  • Vtip is de tipsnelheid (omtreksnelheid) in meter per seconde (m/s)
  • Dr is de rotordiameter in meter (m)
  • nr is het rotortoerental in omwentelingen per seconde (omw/s)

Positie van de rotor as

Een ander manier waarop windturbines kunnen worden ingedeeld is naar de positie van de rotor as. Er zijn windturbines met een horizontale ( HAT) of met een verticale (VAT) rotor as.

De Darrieus-rotor, de Savonius-rotor en de H-rotor zijn voorbeelden van een windturbine met een verticale as (VAT verticale as turbine)

 

 

VAT

De Darrieus-rotor, de Savonius-rotor en de H-rotor zijn voorbeelden van een windturbine met een verticale as (VAT verticale as turbine)

Darrieus turbine (VAT)

De Darrieus turbine is uitgevoerd met rotorbladen volgens het lift principe. Het voordeel van dit type turbine is dat hij altijd op de wind is gericht en daarom is geen krui-inrichting (Eng. Yaw-system) nodig. (Kruien is het draaien in de wind van een windmolen / windturbine).  Alle mechanische en elektrische componenten (tandwielkast, generator, transformator, aansluitkast) bevinden zich op de begane grond. Dat maakt inspectie en onderhoud eenvoudiger en goedkoper. Nadelen zijn: een relatief lage tip-snelheid verhouding en het niet-zelf startend vermogen met behulp van wind. 

H-rotor windturbine (VAT)

Een variatie op de Darrieus turbine is de H-rotor. In plaats van gebogen bladen zijn de bladen recht en worden met behulp van stangen bevestigd aan de verticale as. Het is een eenvoudig ontwerp. De elektriciteit wordt opgewekt door een ring generator met permanente magneten. Een tandwielkast is niet nodig. Toch wordt deze turbine weinig toegepast omdat de productiekosten te hoog zijn.

Savonious turbine (VAT)

De Savonious rotor werkt volgens het weerstandsprincipe. Door de lage cp waarde wordt dit type bijna niet toegepast

  • Het arrangement De windturbine is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    My Tec
    Laatst gewijzigd
    22-10-2015 11:00:55
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding 3.0 Nederland licentie.

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Leerniveau
    MBO, Niveau 3: Vakopleiding; MBO, Niveau 4: Middenkaderopleiding;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld
    Studiebelasting
    1 uur 0 minuten

    Bronnen

    Bron Type
    Foto reportage opbouwen windmolen
    http://members.chello.nl/~ahj.domhof/Windmolen/Windmolens.htm     		Link
    Fundatie op land
    https://youtu.be/O4fwDDjcOWY     		Video
    Fundatie op zee
    http://www.redwave.nl/2743614/Funderingstypen-windmolens-offshore.html     		Link

    Gebruikte Wikiwijs Arrangementen

    Tec, My. (z.d.).

    Positie van de rotor as

    https://maken.wikiwijs.nl/67104/Positie_van_de_rotor_as

    Tec, My. (z.d.).

    Rotorbladen uitvoeringen

    https://maken.wikiwijs.nl/67111/Rotorbladen_uitvoeringen

  • Downloaden

    Het volledige arrangement is in de onderstaande formaten te downloaden.

    Metadata

    LTI

    Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI koppeling aan te gaan.

    Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.

    Arrangement

    IMSCC package

    Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.

    Voor developers

    Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op onze Developers Wiki.

  • Wikiwijs is een dienst van