Windturbine

Achtergrond

Een windturbine is een machine die de kinetische energie van de wind omzet in roterende mechanische energie, die vervolgens wordt gebruikt om werk te doen. In meer geavanceerde modellen wordt de rotatie-energie omgezet in elektriciteit, de meest veelzijdige vorm van energie, met behulp van een generator.

Al duizenden jaren gebruiken mensen windmolens om water te pompen of graan te malen. Zelfs in de twintigste eeuw werden hoge, slanke windturbines met meerdere schoepen die volledig van metaal waren gemaakt, gebruikt in Amerikaanse huizen en boerderijen om water in het sanitair van het huis of in de drinkbak van het vee te pompen. Na de Eerste Wereldoorlog werd begonnen met de ontwikkeling van windturbines die elektriciteit konden produceren. Marcellus Jacobs vond in 1927 een prototype uit dat een radio en een paar lampen van stroom kon voorzien, maar verder weinig. Toen later de vraag naar elektriciteit toenam, vielen de kleine, gebrekkige windturbines van Jacobs buiten gebruik.

De eerste grootschalige windturbine die in de Verenigde Staten werd gebouwd, werd in 1934 bedacht door Palmer Cosslett Putnam; hij voltooide het in 1941. De machine was enorm. De toren was 33,5 meter hoog en de twee roestvrij stalen bladen hadden een diameter van 58 yards (53 meter). De windturbine van Putnam zou 1.250 kilowatt elektriciteit kunnen produceren, of genoeg om in de behoeften van een kleine stad te voorzien. Het werd echter in 1945 verlaten vanwege een mechanisch defect.

Met het olie-embargo van de jaren zeventig begonnen de Verenigde Staten opnieuw na te denken over de haalbaarheid van het produceren van goedkope elektriciteit uit windturbines. In 1975 was het prototype Mod-O in bedrijf. Dit was een turbine van 100 kilowatt met twee bladen van 19 meter lang. Er volgden meer prototypes (Mod-OA, Mod-1, Mod-2, enz.), elk groter en krachtiger dan de vorige. Momenteel streeft het Amerikaanse ministerie van Energie naar meer dan 3.200 kilowatt per machine.

Er bestaan ​​veel verschillende modellen windturbines, waarvan de meest opvallende de Darrieus met verticale as is, die de vorm heeft van een eierklopper. Het model dat door commerciële fabrikanten het meest wordt ondersteund, is echter een turbine met horizontale as, met een capaciteit van ongeveer 100 kilowatt en drie bladen van niet meer dan 30 meter lang. Windturbines met drie bladen draaien soepeler en zijn gemakkelijker te balanceren dan die met twee bladen. Ook, terwijl grotere windturbines meer energie produceren, hebben de kleinere modellen minder kans op grote mechanische storingen en zijn ze dus zuiniger in onderhoud.

Windparken zijn overal in de Verenigde Staten ontstaan, met name in Californië. Windparken zijn enorme reeksen windturbines in gebieden met een gunstige windproductie. Het grote aantal onderling verbonden windturbines is nodig om voldoende elektriciteit te produceren om aan de behoeften van een omvangrijke bevolking te voldoen. Momenteel produceren 17.000 windturbines op windparken die eigendom zijn van verschillende windenergiebedrijven jaarlijks 3,7 miljard kilowattuur elektriciteit, genoeg om te voorzien in de energiebehoefte van 500.000 huishoudens.

Grondstoffen

Een windturbine bestaat uit drie basisonderdelen:de toren, de gondel en de rotorbladen. De toren is ofwel een stalen roostertoren vergelijkbaar met elektrische torens of een stalen buisvormige toren met een binnenladder naar de gondel. De eerste stap bij het bouwen van een windturbine is het oprichten van de toren. Hoewel de stalen onderdelen van de toren off-site in een fabriek worden vervaardigd, worden ze meestal ter plaatse geassembleerd. De onderdelen worden vóór de montage aan elkaar vastgeschroefd en de toren wordt horizontaal gehouden tot plaatsing. Een kraan tilt de toren op zijn plaats, alle bouten worden vastgedraaid en na voltooiing wordt de stabiliteit getest.
Vervolgens wordt de glasvezelgondel geplaatst. De interne werking - hoofdaandrijfas, versnellingsbak en bladpitch- en yaw-bedieningselementen - wordt in een fabriek geassembleerd en gemonteerd op een basisframe. De gondel wordt vervolgens om de apparatuur geschroefd. Ter plaatse wordt de gondel op de voltooide toren gehesen en op zijn plaats vastgeschroefd. De meeste torens hebben geen beugels, dit zijn kabels die worden gebruikt voor ondersteuning, en de meeste zijn gemaakt van staal dat ter bescherming is gecoat met een zinklegering, hoewel sommige in plaats daarvan zijn geverfd. De toren van een typisch in Amerika gemaakte turbine is ongeveer 80 voet lang en weegt ongeveer 19.000 pond.

De gondel is een sterke, holle schil die de binnenkant van de windturbine bevat. Meestal gemaakt van glasvezel, bevat de gondel de hoofdaandrijfas en de versnellingsbak. Het bevat ook de bladpitch-regeling, een hydraulisch systeem dat de hoek van de bladen regelt, en de gieraandrijving, die de positie van de turbine ten opzichte van de wind regelt. De generator en elektronische besturing zijn standaarduitrusting waarvan de hoofdcomponenten staal en koper zijn. Een typische gondel voor een huidige turbine weegt ongeveer 22.000 pond.

Het meest uiteenlopende materiaalgebruik en de meeste experimenten met nieuwe materialen vinden plaats bij de bladen. Hoewel het meest dominante materiaal dat wordt gebruikt voor de wieken in commerciële windturbines glasvezel met een holle kern is, zijn andere gebruikte materialen lichtgewicht hout en aluminium. Houten bladen zijn massief, maar de meeste bladen bestaan ​​uit een huid rond een kern die ofwel hol is of gevuld met een lichtgewicht substantie zoals plastic schuim of honingraat, of balsahout. Een typisch blad van glasvezel is ongeveer 15 meter lang en weegt ongeveer 2500 pond.

Windturbines hebben ook een nutsbox, die de windenergie omzet in elektriciteit en die zich aan de voet van de toren bevindt. Verschillende kabels verbinden de elektriciteitskast met de gondel, terwijl andere de hele turbine verbinden met nabijgelegen turbines en met een transformator.

Het fabricageproces

Voordat kan worden nagedacht over de bouw van individuele windturbines, moeten fabrikanten een geschikt gebied bepalen voor de locatie van windparken. Winden moeten consistent zijn en hun snelheid moet regelmatig meer dan 25 kilometer per uur zijn. Als de wind tijdens bepaalde seizoenen sterker is, heeft het de voorkeur dat deze het sterkst is tijdens perioden van maximaal elektriciteitsverbruik. In de Altamont Pass in Californië, bijvoorbeeld, waar 's werelds grootste windmolenpark staat, piekt de windsnelheid in de zomer wanneer de vraag groot is. In sommige gebieden van New England waar windparken worden overwogen, zijn de winden het sterkst in de winter, wanneer dat nodig is De gondel is een sterke, holle schil die de binnenkant van de windturbine bevat, zoals de hoofdaandrijving as en de versnellingsbak. Het bevat ook de bladpitch-regeling, een hydraulisch systeem dat de hoek van de bladen regelt, en de gieraandrijving, die de positie van de turbine ten opzichte van de wind regelt. Een typische gondel voor een huidige turbine weegt ongeveer 22.000 pond. verwarming verhoogt het elektriciteitsverbruik. Windparken werken het beste in open gebieden met licht glooiend land, omringd door bergen. Deze gebieden hebben de voorkeur omdat de windturbines op richels kunnen worden geplaatst en niet worden gehinderd door bomen en gebouwen, en de bergen de luchtstroom concentreren, waardoor een natuurlijke windtunnel van sterkere, snellere winden ontstaat. Ook moeten windparken in de buurt van nutsleidingen worden geplaatst om de overdracht van de elektriciteit naar de lokale elektriciteitscentrale te vergemakkelijken.

De site voorbereiden

• 1 Overal waar een windmolenpark gebouwd gaat worden, worden de wegen gemaaid om plaats te maken voor het transport van onderdelen. Op elke windturbinelocatie wordt het land geëgaliseerd en het padgebied geëgaliseerd. Een beton Daarna wordt de fundering in de grond gelegd, gevolgd door de installatie van de ondergrondse kabels. Deze kabels verbinden de windturbines in serie met elkaar en verbinden ze ook allemaal met het afstandbedieningscentrum, waar het windpark wordt bewaakt en de elektriciteit naar het energiebedrijf wordt gestuurd.

De toren oprichten

• 2 Hoewel de stalen onderdelen van de toren off-site in een fabriek worden vervaardigd, worden ze meestal ter plaatse geassembleerd. De onderdelen worden vóór de montage aan elkaar vastgeschroefd en de toren wordt horizontaal gehouden tot plaatsing. Een kraan tilt de toren op zijn plaats, alle bouten worden vastgedraaid en na voltooiing wordt de stabiliteit getest.

Motorgondel

• 3 De gondel van glasvezel wordt, net als de toren, buiten de locatie in een fabriek vervaardigd. In tegenstelling tot de toren wordt deze echter ook in de fabriek in elkaar gezet. De interne werking - hoofdaandrijfas, versnellingsbak en bladpitch en yaw-bedieningselementen - worden geassembleerd en vervolgens op een basisframe gemonteerd. De gondel wordt dan vastgeschroefd De nutsbox voor elke windturbine en het elektrische communicatiesysteem voor het windpark worden gelijktijdig geïnstalleerd met de plaatsing van de gondel en de bladen. Kabels lopen van de gondel naar de elektriciteitskast en van de elektriciteitskast naar de afstandsbediening. rond de apparatuur. Ter plaatse wordt de gondel op de voltooide toren gehesen en op zijn plaats vastgeschroefd.

Roterende messen

• 4 Aluminium bladen worden gemaakt door aluminium platen aan elkaar te schroeven, terwijl houten bladen worden gesneden om een ​​aerodynamische propeller te vormen die qua doorsnede lijkt op een vliegtuigvleugel.
• 5 Veruit het grootste aantal bladen is echter gemaakt van glasvezel. De vervaardiging van glasvezel is een nauwgezette operatie. Eerst wordt een mal bereid die in twee helften is, zoals een schelpdier, maar toch de vorm heeft van een mes. Vervolgens wordt een mengsel van glasvezel-harscomposiet aangebracht op de binnenoppervlakken van de mal, die vervolgens wordt gesloten. Het glasvezelmengsel moet dan enkele uren drogen; terwijl dat wel het geval is, helpt een met lucht gevulde blaas in de mal het blad zijn vorm te behouden. Nadat de glasvezel droog is, wordt de mal geopend en wordt de blaas verwijderd. De laatste voorbereiding van het mes omvat schoonmaken, schuren, verzegelen van de twee helften en schilderen.
• 6 De bladen worden meestal op de gondel geschroefd nadat deze op de toren is geplaatst. Omdat montage gemakkelijker op de grond kan worden uitgevoerd, heeft een drietandig mes soms twee bladen die op de gondel zijn vastgeschroefd voordat deze wordt opgetild, en het derde blad wordt vastgeschroefd nadat de gondel op zijn plaats is.

Installatie van besturingssystemen

• 7 De nutsbox voor elke windturbine en het elektrische communicatiesysteem voor het windpark worden gelijktijdig met de plaatsing van de gondel en de wieken geïnstalleerd. Kabels lopen van de gondel naar de elektriciteitskast en van de elektriciteitskast naar de afstandsbediening.

Kwaliteitscontrole

In tegenstelling tot de meeste productieprocessen, is er bij de productie van windturbines weinig aandacht voor kwaliteitscontrole. Omdat massaproductie van windturbines vrij nieuw is, zijn er geen normen gesteld. Op dit gebied worden nu inspanningen geleverd door zowel de overheid als de fabrikanten.

Terwijl windturbines in dienst geacht worden 90 procent van de tijd te werken, worden er nog steeds veel structurele gebreken geconstateerd, vooral met de wieken. Scheuren verschijnen soms kort na fabricage. Mechanische storingen door uitlijn- en montagefouten komen veel voor. Elektrische sensoren vallen vaak uit door stroompieken. Niet-hydraulische remmen zijn doorgaans betrouwbaar, maar hydraulische remsystemen veroorzaken vaak problemen. Er worden plannen ontwikkeld om bestaande technologie te gebruiken om deze problemen op te lossen.

Windturbines hebben regelmatig onderhoudsschema's om uitval te minimaliseren. Elke drie maanden worden ze gekeurd en elk half jaar staat er een grote onderhoudsbeurt op het programma. Meestal gaat het om het smeren van de bewegende delen en het controleren van het oliepeil in de versnellingsbak. Het is ook mogelijk voor een werknemer om het elektrische systeem ter plaatse te testen en eventuele problemen met de generator of aansluitingen op te merken.

Voordelen voor het milieu
en nadelen

Een windturbine die elektriciteit opwekt uit onuitputtelijke winden veroorzaakt geen vervuiling. Ter vergelijking:steenkool, olie en aardgas produceren één tot twee pond koolstofdioxide (een uitstoot die bijdraagt ​​aan het broeikaseffect en de opwarming van de aarde) per geproduceerde kilowattuur. Wanneer windenergie wordt gebruikt voor elektrische behoeften, wordt de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen voor dit doel verminderd. De huidige jaarlijkse elektriciteitsproductie door windturbines (3,7 miljard kilowattuur) komt overeen met vier miljoen vaten olie of een miljoen ton steenkool.

Windturbines zijn niet geheel vrij van milieuproblemen. Veel mensen beschouwen ze als onesthetisch, vooral wanneer enorme windparken worden gebouwd in de buurt van ongerepte wildernisgebieden. Het doden van vogels is gedocumenteerd en de zoemende bladen produceren nogal wat lawaai. Pogingen om deze effecten te verminderen zijn onder meer het selecteren van locaties die niet samenvallen met natuurgebieden of vogeltrekroutes en het onderzoeken van manieren om geluid te verminderen.

De Toekomst

De toekomst kan alleen maar beter worden voor windturbines. Het potentieel voor windenergie is grotendeels onbenut. Het Amerikaanse ministerie van Energie schat dat in 1995 tien keer de hoeveelheid elektriciteit die momenteel wordt geproduceerd, kan worden bereikt. In 2005 is zeventig keer de huidige productie mogelijk. Als dit wordt bereikt, zouden windturbines goed zijn voor 10 procent van de elektriciteitsproductie in de Verenigde Staten.

Er wordt nu onderzoek gedaan om de kennis over windbronnen te vergroten. Hierbij worden steeds meer gebieden getest op de mogelijkheid om windparken te plaatsen waar de wind betrouwbaar en krachtig is. Er zijn plannen om de levensduur van de machine te verlengen van vijf jaar naar 20 tot 30 jaar, de efficiëntie van de bladen te verbeteren, betere controles te bieden, aandrijflijnen te ontwikkelen die langer meegaan en een betere overspanningsbeveiliging en aarding mogelijk te maken. Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft onlangs een schema opgesteld om het nieuwste onderzoek uit te voeren om windturbines te bouwen met een hoger rendement dan nu mogelijk is. (Het rendement van een ideale windturbine is 59,3 procent. Dat wil zeggen, 59,3 procent van de energie van de wind kan worden opgevangen. Turbines die daadwerkelijk worden gebruikt, zijn ongeveer 30 procent efficiënt.) Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft ook een contract gesloten met drie bedrijven om onderzoek te doen manieren om mechanisch falen te verminderen. Dit project begon in het voorjaar van 1992 en loopt door tot het einde van de eeuw.

Windturbines zullen de komende jaren steeds vaker voorkomen. De grootste fabrikant van windturbines ter wereld, US Windpower, is van plan om tegen 1995 uit te breiden van een capaciteit van 420 megawatt (4.200 machines) naar 800 megawatt (8.000 machines). Ze zijn van plan tegen het jaar 2000 2000 megawatt (20.000 machines) te hebben. windturbinefabrikanten zijn ook van plan om de geproduceerde aantallen te verhogen. Internationale comités bestaande uit verschillende geïndustrialiseerde landen hebben zich gevormd om het potentieel van windturbines te bespreken. Er worden ook inspanningen geleverd om ontwikkelingslanden te voorzien van kleine windturbines vergelijkbaar met die Marcellus Jacobs in de jaren twintig van de vorige eeuw heeft gebouwd. Denemarken, dat al 70 tot 80 procent van de windenergie in Europa produceert, ontwikkelt plannen om de productie van windturbines uit te breiden. De eeuwwisseling zou windturbines moeten zien die goed geplaatst, efficiënt, duurzaam en talrijk zijn.