Windenergie: Omzetten van Luchtbeweging in Schone Elektriciteit

Windenergie

Wind is een vorm van zonne-energie. Winden ontstaan door de oneffenmatige verwarming van de atmosfeer door de zon, de onregelmatigheden van de aardoppervlakte en de rotatie van de aarde. Windstromingspatronen worden beïnvloed door het aardoppervlak, waterlichamen en begroeiing. Windenergie is de kinetische energie van bewegende lucht. Deze energie kan worden geoogst. Windenergie is de omzetting van deze windenergie in een bruikbare vorm van energie, zoals elektriciteit via windturbines, mechanische energie via windmolens, waterpomping of drainage via windpompen, en als zeilen om schepen voort te drijven. Windenergie is een hernieuwbare of niet-conventionele energiebron. Het is een schone en niet-vervuilende energiebron. Het is in grote hoeveelheden beschikbaar in veel delen van de wereld. Er worden geen broeikasgassen uitgestoten tijdens de productie van elektriciteit.

Beschikbare Windenergiepotentieel

De totale hoeveelheid economisch winnbare vermogen uit de wind is zeer hoog. Axel Kleidon van het Max Planck Instituut in Duitsland voerde een 'top-down' berekening uit over hoeveel windenergie er is, beginnend met de inkomende zonnestraling die de winden drijft door temperatuursverschillen in de atmosfeer te creëren. Hij concludeerde dat er ergens tussen de 18 TW en 68 TW (Terawatt, wat één biljoen watt is) gewonnen kan worden. Cristina Archer en Mark Z. Jacobson presenteerden een 'bottom-up' schatting gebaseerd op daadwerkelijke metingen van windsnelheden. Volgens deze schatting is er 1700 TW windvermogen beschikbaar op een hoogte van 100 meter over land en zee. Van dit beschikbare vermogen kan tussen de 72 en 170 TW op een praktische en kosteneffectieve manier worden gewonnen. Later schatten ze dit op 80 TW. Onderzoek aan Harvard University schat echter 1 Watt/m² gemiddeld en 2 tot 10 MW/km² capaciteiten voor grootschalige windparken, wat suggereert dat deze schattingen van de totale wereldwijde windbronnen te hoog zijn met een factor van ongeveer 4.

Opwekking van Elektriciteit uit Windenergie

De opwekking van elektriciteit uit windenergie geschiedt met behulp van windturbines. Elke windturbine is gekoppeld aan een generator (wisselstroomdynamo). Eenvoudig gezegd is een windturbine 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 doet de wieken draaien, die een as doen draaien die verbonden is met een generator om elektriciteit te produceren. Een aantal turbines worden samen geschakeld om de gewenste output te krijgen. Deze samenstelling van een groot aantal windturbines heet een windpark. Een windpark wordt normaal gebouwd waar de windsnelheid voldoende is om de wieken van de turbine te bewegen.

Vermogen uit Windenergie

Het gebruik van windenergie voor het genereren van vermogen groeit met een zeer hoge snelheid. Windenergie gebruikt windturbines om de energie van bewegende lucht te oogsten en die energie om te zetten in elektriciteit. Het principe van het genereren van windenergie uit windenergie is als volgt.

Totale windenergie die stroomt door een fictief gebied A tijdens de tijd t wordt gegeven door de volgende vergelijking:

Waar ρ de dichtheid van lucht is, v de windsnelheid, Avt het volume lucht dat door A stroomt (wat loodrecht op de windrichting wordt beschouwd), Avtρ is dus de massa m die per eenheidstijd passeert. Let op dat ½ ρv² de kinetische energie is van de bewegende lucht per eenheidsvolume.

Vermogen is energie per eenheidstijd, dus het windvermogen dat incident is op A (bijv. gelijk aan de rotoroppervlakte van een windturbine) is:

Uit de bovenstaande vergelijking kunnen de volgende conclusies worden getrokken:

• Vermogen is recht evenredig met de luchtichtheid ρ. Naarmate de luchtichtheid toeneemt, neemt het vermogen van de turbine toe.
• Vermogen is recht evenredig met de gezwenkte oppervlakte van de turbinewieken. Als de lengte van de wiek toeneemt, neemt de straal van de gezwenkte oppervlakte 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 verdubbelt. Windturbines voor netelektriciteit moeten daarom met name efficiënt zijn bij hogere windsnelheden.

Windturbines

In een windenergiecentrale gebruikt de windturbine de kinetische energie die in de wind aanwezig is om de primemover van de alternator (generator) te draaien om elektriciteit te maken. Wanneer voldoende wind de wieken van de turbine raakt, gaan ze draaien. De wieken zijn gekoppeld aan een rotor. Dus wanneer de wieken bewegen, beweegt de rotor ook. In een windturbine regelt het pitch-systeem de snelheid van de rotor. De rotor is verbonden met een lage-snelheidsas. Deze lage-snelheidsas is verbonden met de hoge-snelheidsas van de generator via een tandwielstelsel. Het tandwielstelsel verhoogt de draaisnelheid van de generatoras tot de normale snelheid van een algemene generator. Deze hoge-snelheidsgenerator produceert elektriciteit.

Windturbines bestaan ook uit een controller die bepaalt wanneer de machine moet starten of stoppen. Normaal worden windturbines bediend binnen een bereik 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 de overlevingswindsnelheid genoemd. Alle windturbines zijn ontworpen voor deze maximale windsnelheid (overlevingswindsnelheid).

Windturbines hebben een anemometer die de windsnelheid bepaalt en regelmatig informatie naar de controller stuurt of de windsnelheid hoog is of niet. De rem werkt in noodgevallen om de rotor mechanisch, elektrisch of hydraulisch te stoppen. De windturbine bevat ook een windwijzer, yaw-drive en yaw-motor. Hun functies zijn om de windrichting te meten en windturbines met luv-inrichting te laten blijven voor de wind wanneer de windrichting verandert.

Er zijn over het algemeen twee soorten windturbines: horizontale-as windturbines (HAWT) en verticale-as windturbines (VAWT). Horizontale-as is onderverdeeld in luv- en leewindturbines, terwijl verticale-as onderverdeeld is in wrijvings- en opwaarts-gebaseerde turbines.

Bij een HAWT luvturbine zijn de as van de turbine en de alternator beide horizontaal uitgelijnd en de turbinewieken zijn aan de voorkant van de turbine geplaatst, wat betekent dat de lucht de turbinewieken raakt vóór de toren. Bij een HAWT leewindturbine zijn de assen van de rotor en generator ook horizontaal geplaatst, maar de turbinewieken zijn na de turbine geplaatst, wat betekent dat de wind de toren raakt vóór de wieken.

Als we een VAWT wrijvings-gebaseerde turbine bekijken, bevindt de generatoras zich verticaal met de wieken bovenaan en zijn de turbines normaal op de grond of op een kleine toren gemonteerd. Bij een VAWT opwaarts-gebaseerde turbine is de generatoras verticaal geplaatst met de wiekpositie bovenaan. De meeste grote moderne windturbines zijn horizontale-as turbines vanwege hun hoge efficiëntie. Omdat de wieken altijd loodrecht op de wind bewegen en gedurende de hele rotatie vermogen ontvangen. De turbine heeft de volgende hoofdcomponenten:

• Wiek of rotor die de energie in de wind omzet in rotatieve asenergie
• Aandrijving met een tandwielkast en een generator
• Toren die de rotor en aandrijving ondersteunt
• Balansapparatuur met besturingen, elektrische kabels, grondondersteuningsapparatuur en koppelapparatuur.

De componenten van een windturbine zijn weergegeven in Fig 1

Fig 1 Componenten van een windturbine

Een windpark is een groep windturbines op dezelfde locatie gebruikt voor de productie van elektriciteit. Een groot windpark kan uit diverse honderden individuele windturbines bestaan verdeeld over een uitgebreid gebied, maar het land tussen de turbines kan voor landbouw of andere doeleinden worden gebruikt. Een windpark kan ook offshore gelegen zijn.

Bijna alle grote windturbines hebben meestal hetzelfde ontwerp, bestaande uit een horizontale-as windturbine met een luvrotor met drie wieken, bevestigd aan een nacelle op een hoge buisvormige toren. In een windpark zijn individuele turbines met elkaar verbonden via een middenspanningsnet (rond 33 kV), een verzamelingssysteem en communicatienetwerk. In een schakelstation wordt deze middenspanningsstroom verhoogd in spanning met een transformator voor aansluiting op het hoogspannings-net voor elektriciteitstransport.

De ontwerpspecificatie voor een windturbine is meestal gebaseerd op een vermogenskurve en gegarandeerde beschikbaarheid. Het typische werktemperatuurbereik is -20 tot 40 graden Celsius. In gebieden met extreem klimaat en heet weer zijn speciale versies vereist. Windturbines kunnen worden ontworpen en gevalideerd volgens IEC 61400 standaarden.

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

Windturbines zijn normaal ontworpen om een maximum aan vermogen te produceren bij een breed bereik van windsnelheden. Alle windturbines zijn meestal ontworpen voor een maximale windsnelheid. Windturbines hebben de volgende drie bedrijfsmodi:

• bedrijf onder de nominale windsnelheid
• bedrijf rond de nominale windsnelheid (meestal bij naamplaatcapaciteit)
• bedrijf boven de nominale windsnelheid

Als de nominale windsnelheid van de wind wordt overschreden, moet het vermogen worden beperkt. Dit wordt op verschillende manieren gedaan. Een regelsysteem omvat drie basiselementen: sensoren om procesvariabelen te meten, actuatoren om energie-opbrengst en componentbelasting te manipuleren, en regeralgoritmen om de actuatoren te coördineren op basis van informatie verzameld door de sensoren.

Overige Kwesties van Windenergie

• Omdat de snelheid van de wind niet constant is, is de jaarlijkse energieproductie van een windpark nooit zo hoog als de som van de generator naamplaatwaarden vermenigvuldigd met de totale uren in een jaar. De verhouding van de daadwerkelijke productiviteit in een jaar tot deze theoretische maximum wordt de Anlagenutzungsgrad (PLF) genoemd. Typische PLF-waarden die worden bereikt liggen tussen 15% en 40%. Hogere PLF-waarden aan het hogere einde van het bereik worden bereikt op gunstige locaties en zijn te danken aan verbeteringen in het ontwerp van windturbines.
• Windenergie lijdt zelden aan grote technische storingen, aangezien storingen van individuele windturbines nauwelijks effect hebben op het totale vermogen, zodat gedistribueerde windenergie betrouwbaar en voorspelbaar is.
• Hoewel windenergiecentrales relatief weinig impact hebben op het milieu vergeleken met fossiele brandstofcentrales, is er enige zorgen over het geluid geproduceerd door de rotorwieken, esthetische (visuele) impact, en vogels die zijn gedood door te vliegen in de rotoren.
• De grootste uitdaging bij het gebruik van wind als energiebron is dat het intermittent is, omdat de wind niet altijd waait wanneer elektriciteit nodig is. Wind kan niet worden opgeslagen (hoewel door wind gegenereerde elektriciteit kan worden opgeslagen als batterijen worden gebruikt), en niet alle winden kunnen worden benut om de timing van de elektriciteitsvraag te halen. Verder zijn goede windlocaties vaak gelegen in afgelegen gebieden ver van gebieden met elektriciteitsvraag.
• Ontwikkeling van windbronnen moet concurreren met ander gebruik van het land, en die alternatieve gebruiken kunnen meer gewaardeerd worden dan elektriciteitsopwekking. Echter, windturbines kunnen op land worden geplaatst dat ook voor grazen of zelfs landbouw wordt gebruikt.