Windkracht

Windkracht

Wind is een vorm van zonne-energie. Winden worden veroorzaakt door de ongelijkmatige verwarming van de atmosfeer door de zon, de onregelmatigheden van het aardoppervlak en de rotatie van de aarde. Windstroompatronen worden gewijzigd door het terrein van de aarde, watermassa's en vegetatieve dekking. Windenergie is de kinetische energie van lucht in beweging. Deze windenergie kan worden geoogst. Windenergie is het omzetten van deze windenergie in een bruikbare vorm van energie, zoals elektrische energie door gebruik te maken van windturbines, mechanische energie door gebruik te maken van windmolens, pompen of afvoeren van water door windpompen en als zeilen om schepen voort te stuwen. Windenergie is een hernieuwbare of niet-conventionele energiebron. Dit is een schone en niet vervuilende energiebron. Het is in grote hoeveelheden beschikbaar in vele delen van de wereld. Het genereert geen broeikasgassen tijdens de productie van elektriciteit.

De totale hoeveelheid economisch winbaar vermogen uit de wind is zeer hoog. Axel Kleidon van het Max Planck Instituut in Duitsland heeft 'top-down' berekend hoeveel windenergie er is, te beginnen met de inkomende zonnestraling die de wind aandrijft door temperatuurverschillen in de atmosfeer te creëren. Hij kwam tot de conclusie dat er ergens tussen 18 TW en 68 TW (Terawatt oftewel één biljoen watt) gewonnen kon worden. Cristina Archer en Mark Z. Jacobson presenteerden een 'bottom-up'-schatting op basis van werkelijke metingen van windsnelheden. Volgens deze schatting is er 1700 TW aan windenergie beschikbaar op een hoogte van 100 meter boven land en zee. Uit dit beschikbare vermogen zou op een praktische en kostenconcurrerende manier tussen de 72 en 170 TW kunnen worden gewonnen. Ze schatten het later op 80 TW. Onderzoek aan de universiteit van Harvard schat echter gemiddeld 1 watt/m² en een capaciteit van 2 tot 10 MW/m² voor grootschalige windparken, wat erop wijst dat deze schattingen van de totale wereldwijde windbronnen een factor van ongeveer 4 te hoog zijn.

De opwekking van elektriciteit uit windenergie vindt plaats met behulp van windturbines. Elke windturbine is gekoppeld aan een generator (alternator). Simpel gezegd, een windturbine is het tegenovergestelde van een ventilator. In plaats van elektriciteit te gebruiken om wind te maken, zoals een ventilator, gebruiken windturbines wind om elektriciteit te maken. De wind draait de wieken, die een as laten draaien die wordt aangesloten op een generator om elektriciteit te produceren. Een aantal turbines zijn met elkaar verbonden om het gewenste vermogen te krijgen. Dit samenstel van een groot aantal windturbines wordt een windpark genoemd. Een windpark wordt normaal gesproken gebouwd waar de windsnelheid voldoende is om het blad van de turbine te bewegen.

Power uit windenergie

Het gebruik van windenergie voor de opwekking van stroom groeit razendsnel. Windenergie gebruikt windturbines om de energie van de bewegende lucht te oogsten en die energie om te zetten in elektriciteit. Het principe van het opwekken van windenergie uit windenergie is als volgt.

De totale windenergie die door een denkbeeldig gebied A gedurende de tijd t stroomt, wordt gegeven door de volgende vergelijking

Waar ? is de luchtdichtheid, v is de windsnelheid, Avt is het luchtvolume dat door A gaat (wat als loodrecht op de richting van de wind wordt beschouwd), Avt? is daarom de massa m passeren per tijdseenheid. Merk op dat ½ ?v ² is de kinetische energie van de bewegende lucht per volume-eenheid.

Vermogen is energie per tijdseenheid, dus het windvermogen dat invalt op A (bijvoorbeeld gelijk aan het rotoroppervlak van een windturbine) is:

Uit de bovenstaande vergelijking wordt het volgende afgeleid.

• Het vermogen is recht evenredig met de luchtdichtheid?. Naarmate de luchtdichtheid toeneemt, neemt het vermogen van de turbine toe.
• Het vermogen is recht evenredig met het slagoppervlak van de turbinebladen. Als de lengte van het blad wordt vergroot, neemt de straal van het geveegde gebied dienovereenkomstig toe, zodat het turbinevermogen toeneemt.
• Windvermogen varieert ook met de snelheid en in een open luchtstroom is het evenredig met de derde macht van de windsnelheid (v). Het beschikbare vermogen neemt achtvoudig toe wanneer de windsnelheid wordt verdubbeld. Windturbines voor netstroom moeten daarom vooral efficiënt zijn bij hogere windsnelheden.

Windturbines

In windenergiecentrales maakt windturbine gebruik van kinetische energie, presenteert zich in de wind om de krachtbron van de dynamo (generator) te laten draaien om elektriciteit te maken. Wanneer er voldoende wind de bladen van de turbine raakt, gaan ze draaien. Bladen zijn gekoppeld aan een rotor. Dus als de bladen bewegen, beweegt de rotor ook. In een windturbine regelt het pitch-systeem de snelheid van de rotor. Rotor is verbonden met as met lage snelheid. Deze laagtoerige as is door middel van een tandwielsysteem verbonden met de hogesnelheidsas van de generator. Het tandwielsysteem verhoogt de rotatiesnelheid van de generatoras tot de normale snelheid van een gewone generator. Deze snelle generator produceert elektriciteit.

Windturbines bestaan ​​ook uit een controller wanneer de machine moet worden gestart of gestopt. Normaal gesproken worden windturbines gebruikt binnen een reeks van windsnelheden. Wanneer de windsnelheid de ondergrens overschrijdt, wordt de turbine gestart en wordt de turbine automatisch gestopt wanneer de windsnelheid de bovengrens bereikt, ook wel bekend als overlevingswindsnelheid. Alle windturbines zijn ontworpen voor deze maximale windsnelheid (survival windsnelheid)

Windturbines hebben een anemometer die de windsnelheid bepaalt en regelmatig informatie naar de controller stuurt of de windsnelheid hoog is of niet. Rem werkt in noodgevallen om de rotor mechanisch, elektrisch of hydraulisch te stoppen. Windturbine bevat ook windvaan, gieraandrijving en giermotor. Hun functies zijn het meten van de windrichting en het aanpassen van windturbines om voor de wind te blijven wanneer de windrichting verandert.

Er zijn over het algemeen twee soorten windturbines. Horizontale as windturbine (HAWT) en verticale as windturbine (VAWT). De horizontale as is verdeeld als tegen de wind in en tegen de wind in, terwijl de verticale as is verdeeld als gebaseerd op weerstand en op lift.

In HAWT-upwindturbine zijn de as van de turbine en de dynamo beide horizontaal uitgelijnd en worden de turbinebladen aan de voorkant van de turbine geplaatst, wat betekent dat lucht de turbinebladen vóór de toren raakt. In het geval van HAWT-windturbines zijn de assen van de rotor en generator ook horizontaal geplaatst, maar de turbinebladen worden achter de turbine geplaatst, wat betekent dat de wind de toren vóór de wieken treft.

Als we een op VAWT gebaseerde turbine observeren, bevindt de generatoras zich verticaal met de bladen naar boven gericht en zijn de turbines normaal gesproken op de grond of op een kleine toren gemonteerd. In het geval van een VAWT-turbine op basis van een lift, wordt de generatoras verticaal geplaatst met de positie van het blad omhoog. De meeste grote moderne windturbines zijn turbines met een horizontale as vanwege hun hoge rendement. Omdat de bladen altijd loodrecht op de wind bewegen en tijdens de hele rotatie stroom krijgen. De turbine heeft de volgende hoofdcomponenten.

• Blad of rotor die de energie in de wind omzet in energie van de rotatie-as
• Aandrijflijn inclusief versnellingsbak en generator
• Toren die de rotor en aandrijflijn ondersteunt
• Balance-apparatuur omvat bedieningselementen, elektrische kabels, grondondersteuningsapparatuur en verbindingsapparatuur.

De componenten van een windturbine worden getoond in Fig. 1

 Afb. 1 Onderdelen van een windturbine

Een windpark is een groep windturbines op dezelfde locatie die wordt gebruikt voor de productie van elektriciteit. Een groot windpark kan bestaan ​​uit enkele honderden individuele windturbines verspreid over een uitgestrekt gebied, maar de grond tussen de turbines kan worden gebruikt voor agrarische of andere doeleinden. Er kan ook een windpark op zee liggen.

Bijna alle grote windturbines hebben meestal hetzelfde ontwerp dat bestaat uit een windturbine met een horizontale as met een tegen de wind in staande rotor met drie bladen, bevestigd aan een gondel bovenop een hoge buisvormige toren. In een windpark zijn individuele turbines onderling verbonden met een middenspanning (ongeveer 33 kV), een stroomopvangsysteem en een communicatienetwerk. Op een onderstation wordt deze middenspanningsstroom in spanning verhoogd met een transformator voor aansluiting op het hoogspanningsstroomtransmissiesysteem.

De ontwerpspecificatie voor een windturbine is meestal gebaseerd op een vermogenscurve en gegarandeerde beschikbaarheid. Het typische bedrijfstemperatuurbereik is ?20 tot 40° C. In de gebieden met extreem klimaat en warm weer zijn versies vereist. Windturbines kunnen worden ontworpen en gevalideerd volgens de IEC 61400-normen.

De aerodynamica van een HAWT is een beetje ingewikkeld. De luchtstroom bij de wieken is niet hetzelfde als de luchtstroom ver weg van de turbine. De aerodynamica aan het rotoroppervlak vertoont verschijnselen die zelden worden gezien in andere aerodynamische velden. In 1919 toonde de natuurkundige Albert Betz aan dat voor een ideale windenergie-extractiemachine de fundamentele wetten van behoud van massa en energie niet meer dan 59,3% van de kinetische energie van de wind toestonden. Moderne turbines benaderen deze limiet van de Betz-wet en kunnen 60% tot 70% van deze theoretische limiet bereiken

Windturbines zijn normaal gesproken ontworpen om een ​​maximum aan vermogen te produceren bij een breed scala aan windsnelheden. Alle windturbines zijn doorgaans ontworpen voor een maximale windsnelheid. Windturbines hebben de volgende drie werkingsmodi.

• werking onder nominale windsnelheid
• werking rond nominale windsnelheid (meestal bij typeplaatjecapaciteit)
• werking boven nominale windsnelheid

Als de nominale windsnelheid van de wind wordt overschreden, moet het vermogen worden beperkt. Dit gebeurt op verschillende manieren. Een besturingssysteem omvat drie basiselementen, bestaande uit sensoren om procesvariabelen te meten, actuatoren om energieopvang en het laden van componenten te manipuleren, en regelalgoritmen om de actuatoren te coördineren op basis van informatie die door de sensoren wordt verzameld.

Andere problemen met windenergie

• Omdat de windsnelheid niet constant is, is de jaarlijkse energieproductie van een windpark nooit zo veel als de som van de nominale waarden op het typeplaatje van de generator vermenigvuldigd met het totale aantal uren in een jaar. De verhouding van de werkelijke productiviteit in een jaar tot dit theoretische maximum wordt de plant load factor (PLF) genoemd. Typische PLF die wordt bereikt, is 15% tot 40%. Hogere PLF-waarden aan de bovenkant van het bereik worden bereikt op gunstige locaties en zijn te danken aan verbeteringen in het ontwerp van windturbines.
• Windenergie heeft zelden grote technische storingen, aangezien uitval van individuele windturbines nauwelijks effect heeft op het totale vermogen, zodat het gedistribueerde windvermogen zeer betrouwbaar en voorspelbaar is.
• Hoewel windkrachtcentrales relatief weinig impact hebben op het milieu in vergelijking met elektriciteitscentrales op fossiele brandstof, is er enige bezorgdheid over het geluid dat wordt geproduceerd door de rotorbladen, de esthetische (visuele) effecten en de vogels die zijn gedood door in de rotoren te vliegen .
• De grootste uitdaging bij het gebruik van wind als energiebron is dat het met tussenpozen gebeurt, omdat wind niet altijd waait wanneer elektriciteit nodig is. Wind kan niet worden opgeslagen (hoewel door wind opgewekte elektriciteit kan worden opgeslagen als er batterijen worden gebruikt), en niet alle wind kan worden benut om te voldoen aan de timing van de elektriciteitsvraag. Verder bevinden goede windlocaties zich vaak op afgelegen locaties, ver van gebieden waar elektriciteit nodig is.
• De ontwikkeling van windbronnen is bedoeld om te concurreren met andere vormen van landgebruik, en die alternatieve toepassingen worden wellicht hoger gewaardeerd dan de opwekking van elektriciteit. Windturbines kunnen echter worden geplaatst op land dat ook wordt gebruikt voor begrazing of zelfs landbouw.