You are here

Hoe werkt een windmolen?

Submitted by Beheerder on Thu, 11/07/2019 - 17:26

Er worden in Nederland steeds meer windmolens gebouwd, op land en op zee. Maar hoe zitten windmolens eigenlijk in elkaar? Op welke manier wordt er stroom gemaakt? En hoe ziet een windmolen er van binnen uit? 

Mast/tower

De mast (tower) van een windturbine is bijna altijd van staal, ongeveer 60-120 meter hoog, met een diameter van 2-7 meter en enkele centimeters dik. Meestal zit er in de mast een lift om boven te komen.

Gondel/nacelle

Boven aangekomen kom je in een ruimte, ongeveer zo groot als een huiskamer, waar de meeste technologie zich bevindt. Dit is de gondel (nacelle). Het onderste deel is gemaakt van gietijzer omdat het dragend is. Het dak is van kunststof. In de gondel staat de generator die de stroom opwekt, dat is eigenlijk een enorme fietsdynamo. Ook staan er 2 tot 12 elektromotoren met tandwielkasten om de windmolen in de richting van de wind te draaien (kruien), en mogelijk de transformator en de converter, die dienen om alle opgewekte elektriciteit op het netvoltage en de netfrequentie te brengen. Tenslotte staat de tandwielkast (gearbox) hier bij turbines die een tandwielkast hebben. De tandwielkast versnelt het tempo van rotatie, zodat er een veel kleinere generator nodig is, wat kosten scheelt. De tandwielkast is echter ook zelf kostbaar en kwetsbaar, wat vooral op zee een probleem kan zijn. Daarom zijn er ook windturbines zonder tandwielkast, zogenaamde direct drive windturbines. Dit type is vooral op zee populair.

http://mech.vub.ac.be/thermodynamics/wind/Images/nacelle.GIF
Figuur
1: de binnenkant van de gondel (bron: VU Brussel).

Wieken

De wieken (blades) zijn gemaakt van kunststof, soms met koolstof (carbon) delen. In het verleden heeft men ook wel hout gebruikt. Het profiel van de wieken is er op gericht zoveel mogelijk energie te produceren. Deze profielen zijn doorontwikkeld vanuit de luchtvaart, en de wieken lijken dan ook enigszins op vliegtuigvleugels of helikopterpropellers. De wieken kunnen bij moderne windturbines om hun as draaien (pitchen) met behulp van elektromotoren met tandwielkasten, om het vermogen te regelen. Staan de wieken op pitch angle nul? Dan produceert de windturbine volledig vermogen. Staat de pitch angle hoger afgesteld, staan de wieken bijvoorbeeld tien graden om hun as gedraaid? Dan beperkt de windturbine zijn eigen vermogen, om te zorgen dat wieken, mast, generator, transformator en converter niet overbelast worden. Dit is nodig bij windsnelheden boven 5 à 6 Beaufort.

Power curve

Een windturbine produceert alleen elektriciteit als er genoeg wind staat. Ongeveer vanaf windkracht 2 (3 m/s) begint de turbine te produceren en daarboven neemt de hoeveelheid geproduceerd vermogen toe met windsnelheid tot de derde macht. Dat betekent dat voor elke verdubbeling van de windsnelheid, de windturbine 8 keer zoveel elektriciteit opwekt. Dit gaat door tot het maximale vermogen (vollast, rated power) bereikt wordt, ongeveer bij windkracht 5 à 6 (12 m/s, rated wind speed). De windturbine produceert constant op maximaal vermogen tussen windkracht 5 à 6 en windkracht 10. Waait het nog harder, dan wordt de turbine uitgeschakeld om schade te voorkomen. De grafiek die weergeeft hoeveel stroom de turbine produceert bij elke windkracht heet de power curve (vermogenskromme, zie Figuur 2).

Weibull curve

Voordat een windpark gebouwd wordt, wordt meestal eerst de windsnelheid heel precies gemeten, het liefst op de hoogte waar de windturbines komen. Het resultaat is een curve die aangeeft hoe vaak het hoe hard waait (Weibull curve). Samen met de power curve bepaalt deze curve hoeveel energie het windpark op gaat leveren.

Power factor/vollasturen

Als je de hoeveelheid energie die een windturbine opwekt deelt door de hoeveelheid energie die je zou krijgen als hij altijd op maximaal vermogen (vollast) zouden draaien, krijg je de power factor. De power factor is een maat voor de benutting van het vermogen van een windturbine. De power factor ligt op land ongeveer tussen de 20% en 30%, op zee vaak wel op 40% tot 45%. Een windturbine van hetzelfde vermogen wekt op zee dus bijna twee keer zoveel energie op, omdat het daar gemiddeld harder waait.

Een andere maat voor de benutting van het vermogen is het aantal vollasturen. Het aantal vollasturen krijg je door de power factor te vermenigvuldigen met het aantal uren in een jaar.

De power factor zegt dus iets over de benutting van het vermogen, dat betekent met name de benutting van de generator en overige elektrische componenten. Als je een kleinere generator op dezelfde windturbine zet, gaat de power factor omhoog, omdat een groter deel van deze kleinere generator benut wordt. Dit betekent echter niet dat de turbine nu beter is geworden. Het is dus niet zo dat een windturbine met een hogere power factor per se beter is, of dat de lage power factor bijvoorbeeld een argument zou zijn tegen wind op land. De power factor is vooral een technisch-economische ontwerpkeuze.

Lees hier meer over wind op land en wind op zee.