Windenergie

Windenergie en vermogen

Windturbines benutten de kinetische energie van de wind. De kinetische energie van een bewegende massa is gegeven door de formule: Ekin = ½.m.v2, waarin m de massa van het bewegende lichaam is en v de snelheid van de beweging. Deze formule is toepasbaar voor wind als voor de massa de hoeveelheid lucht (in kg!) wordt genomen die per seconde door een oppervlak van 1 m2 stroomt. De uitkomst is dan energie per tijdseenheid, arbeidsvermogen i.p.v. energie. Door de rotor van een windturbine met een bestreken oppervlak van A m2 stroomt per seconde een hoeveelheid lucht gelijk aan: het bestreken oppervlak [A] maal de snelheid van de lucht [v] maal de dichtheid van lucht [ρ]. In formule: m = ρ.v.A. Gecombineerd leveren die formules op: Pwind = ½.ρ.v3.A. De dichtheid van lucht is ca. 1, 2 kg/m3 zodat het vermogen aangeboden per m2 gelijk is aan 0,6 x v3 Watt. Voor een windsnelheid van 4 m/s is v3 gelijk aan 4 x 4 x 4 = 64; het aangeboden vermogen is bij die windsnelheid 38,4 W. Bij 5 m/s windsnelheid het is het vermogen 75 W en bij 6 m/s windsnelheid 130 W.
Het is van belang dit fenomeen goed te begrijpen omdat het verklaart waarom een relatief gering verschil in gemiddelde windsnelheid een groot verschil in de energie opbrengst van een windturbine oplevert!

Windturbine types en rendement

 

Er zijn twee -essentieel verschillendetypes windturbines: Weerstandsturbines, (veelal aangeduid als Savonius rotoren), zijn verticale as windturbines met bladen, die het hele bestreken oppervlak afdekken, zodanig zijn gevormd, dat ze een hoge weerstand bieden aan de wind die invalt in de bewegingsrichting en een zo laag mogelijke aan wind die tegen de andere kant van het blad blaast.

 

Aërodynamische windturbines hebben vleugelvormige bladen die slechts een klein deel van het bestreken oppervlak afdekken; een windstroming langs deze bladen wekt een liftkracht op loodrecht op de stromingsrichting (vgl. vliegtuigen). Niet alle energie in de wind kan door een windturbine worden omgezet, omdat dan de wind direct achter de rotor stil zou staan en dus een verdere stroming door de rotor zou verstoppen. Nieuw aankomende wind is dan gedwongen om de rotor heen te gaan en aan die wind kan de turbine energie onttrekken. In werkelijkheid stroomt de aankomende win ten dele dooren ten dele langs de rotor; de verhouding tussen deze delen bepaalt het aërodynamische rendement van de turbine.De natuurkundige Betz heeft theoretisch bewezen dat het rendement wordt bepaald door het type rotor. Een aerodynamische turbine heeft een maximaal theoretisch rendement van 59 % -, dat van weerstandsturbines is ten hoogste 19 %. Het strijdt met onze intuïtie dat een turbine met een zo groot relatief bladoppervlak een zo laag rendement heeft, maar zeilers herkennen het: “Voor de wind zeilen gaat minder “energiek” dan aan de wind of halve wind”. Het laat zich ook begrijpen uit de eerder afgeleide

formule.

De bladen van een weerstandsmachine worden door de wind in de windrichting meegevoerd. Naarmate zo’n blad de snelheid van de wind benadert neemt het snelheidsverschil en dus de overdracht van vermogen van de wind naar het blad af. Aërodynamische turbines onttrekken hun vermogen haaks op de wind. Bij toenemende bladsnelheid neemt de beschikbare energie niet af, maar toe! Van weerstandsturbines wordt verwacht dat ze als gevolg van hun lage bladsnelheid weinig geluid produceren. Dat is maar zeer ten dele waar. De luchtsnelheid van het meelopende blad is gering, nagenoeg nul; de luchtsnelheid van het tegenlopende blad is dan tweemaal de windsnelheid. En om eenzelfde vermogen te produceren moet het bestreken oppervlak van een weerstandsturbine 3 x groter zijn dan dat van een aërodynamische turbine. Omdat de geluidsproductie van een lichaam dat zich door lucht beweegt evenredig is met de snelheid en met de afmetingen van dat lichaam is de geluidsproductie van beide turbine types praktisch gelijk. In deze notitie wordt verder geen aandacht geven aan deze turbines die overigens inde meest interessante vormen voorkomen.

Aërodynamische windturbines

 

Aërodynamische windturbines bestaan in twee hoofdvormen: de horizontale as windturbine [HAWT] en de verticale as windturbine [VAWT]. Alle grote turbines

zijn horizontale as machines, zoals de oude “windmolens”. Misschien is deze technische gewenning wel de oorzaak dat in de eerste plaats horizontale as turbines verder zijn ontwikkeld. Moderne HAWT’s hebben gewoonlijk een goed rendement maar ze zijn duur. Ze kunnen alleen wind omzetten die loodrecht op het bestreken oppervlak binnenkomt en moeten dus in de wind gericht worden (gekruid). Dat kan met de hand – maar dat is weinig praktisch – of met een regelsysteem. Zo’n krui systeem voegt kosten toe en is onderhouds-gevoelig. Verticale as turbines hebben zo’n systeem niet nodig. Het is totaal onverschillig van welke kant de windkomt, de rotor staat altijd in de goedepositie. De eerste aërodynamische verticale as windturbine is ontworpen door een Fransman Georges Darrieus en in 1927 voor het eerst gepatenteerd. Het werkingsprincipe laat zich begrijpen. wanneer men weet dat de bladsnelheid een veelvoud van de windsnelheid is. Daardoor ondervindt het blad een windstroming die altijd – met een geringe hoekafwijking – van voren komt, zoals een fietser die hard genoeg fietst altijd tegenwind ervaart. De werkelijke wind combineert met de zelf gegenereerde tegenwind tot de schijnbare wind. Als de invalshoek van de wind op het blad groter is dan 00 heeft de liftkracht een voorwaartse component die de turbine aandrijft. Voor een goed functioneren van de turbine mag de invalshoek van de schijnbare wind niet meer dan 20 0 zijn omdat bij grotere invalshoeken de stroming niet langer laminair – hetgeen nodig is voor het opwekken van een liftkracht – maar turbulent wordt. Dit fenomeen is bekend als “overtrek “(stall) en was de oorzaak waarom midden vorige eeuw kleine vliegtuigen letterlijk uit de lucht vielen wanneer ze te steil probeerden te klimmen. Een stroming tussen 0 en 200 vereist een voldoend hoge bladsnelheid. Daarom kan een verticale as windturbine niet zelf starten; hij moet daarvoor op een voldoend hoge snelheid worden gebracht. Tegenover dat “nadeel” in vergelijking tot de HAWT staat als voordeel dat de VAWT geen kruissysteem nodig heeft; hij staat altijd goed in de wind onverschillig van welke kant de wind komt. Dat voordeel compenseert ruimschoots het niet

zelfstartend zijn. De originele Darrieus turbine kent een aantal nadelen zoals hevig trillen, veel lawaai en een relatief laag rendement redenen waarom he nooit een succes geworden is. De ontwerpers van Turby hebben de oorzaak van die minder goede eigenschappen geanalyseerd en op basis van die analyse een verbeterde verticale as windturbine ontwikkeld – de Turby – die niet wordt geplaagd door negatieve eigenschappen. N.B. Het moge duidelijk zijn dat gedurende een omwenteling de invalshoek varieert tussen – 200 en + 200.