Windturbine

Windturbine is de naam die wordt gebruikt voor moderne windmolens. Deze worden meestal gebruikt om elektriciteit (groene stroom) op te wekken, soms in grote 'parken' met vele windturbines, bijvoorbeeld in Nederland op de Maasvlakte en in België in de haven van Brugge-Zeebrugge.

Voor- en nadelen worden besproken onder het lemma windenergie.

De twee hoofdtypes windturbine zijn de horizontale-asturbine en de verticale-asturbine. Windturbines met een horizontale as komen in Nederland en wereldwijd momenteel (2006) verreweg het meest voor.

Opbouw van een moderne windturbine met horizontale as

Een moderne windturbine met horizontale as bestaat van boven naar onder uit:

• Rotor(bladen)
• Nacelle of gondel met daarin:
  • versnellingsbak
  • naaf
  • generator
  • krui-installatie
• Mast met daarin:
  • kabels
  • Personenlift
• Fundament
• Netaansluiting

Rotor(bladen) of wieken

De bladen van een windturbine worden rotors of wieken genoemd. De rotor zet bewegingsenergie van de wind om in een draaiende beweging van de as. De wieken zijn gevormd volgens hetzelfde principe als een vliegtuigvleugel. In tegenstelling tot wat vaak gedacht wordt is de opbrengst van een windturbine nauwelijks afhankelijk van het aantal rotorbladen of wieken. In Nederland gebruikten fabrikanten in eerste instantie twee rotorbladen of wieken. Dat is een eenvoudiger constructie. Tegenwoordig gebruiken vrijwel alle fabrikanten drie bladen. Drie bladen belasten de mast gelijkmatiger en ogen veel rustiger.

Bij oudere turbines stonden de rotorbladen of wieken met een vaste instelhoek ten opzichte van de as. De vorm van de wieken was zodanig gekozen dat bij zeer hoge windsnelheden er turbulentie rond de bladen ontstond die de beweging stilzette. Tegenwoordig kunnen de wieken draaien over hun lengteas. Daardoor kunnen ze bij elke windsnelheid de optimale stand hebben, waardoor een optimale opbrengst bereikt wordt. Bij windsnelheden boven windkracht tien kunnen de rotorbladen geleidelijk uit de wind worden gedraaid. Dat is minder belastend voor het elektriciteitsnet dan het plotselinge afschakelen van overtrekbeveiligde turbines en vergroot de opbrengst. Deze installatie wordt ook de pitch genoemd; aan de binnenzijde van ieder rotorblad zit een tandwielprofiel dat met een kleiner tandwiel, aangedreven door een elektromotor, wordt verdraaid.

De rotorbladen of wieken zijn altijd naar de wind toegekeerd. Er is ook geëxperimenteerd met zogenaamde downwindmachines maar die hadden als nadeel dat de bladen zich dan in het zog van de mast bevinden. De turbulentie in dit zog vermindert de opbrengst en zorgt voor extra veel (ongewenst) geluid. Bovendien zorgt de asymmetrische belasting van de wieken voor versnelde slijtage.

Draairichting

Een traditionele Nederlandse windmolen draait steevast linksom, bezien met de wind in de rug. Een moderne windturbine draait op het Noordelijk halfrond echter meestal rechtsom (met de wijzers van de klok mee). De exacte reden hiervoor is niet bekend. Zo zijn er meerdere verklaringen voor.

Één van deze zegt dat een rechtsdraaiende windturbine extra rendement geeft, doordat de wind met het stijgen van de hoogte ruimt: tussen de boven- en onderkant van de draaicirkel van de rotorbladen kan de windhoek zo'n 5 tot 20 graden verschillen. Volgens de wet van Buys Ballot wijkt de wind op het Noordelijk halfrond namelijk naar rechts af. Dit effect wordt enigszins tegengegaan door de wrijving met de aarde. Het gevolg is dat de wind niet alleen loodrecht op het wiekenkruis invalt, maar iets van opzij, en wel zodanig dat de wieken worden voortgeduwd als ze rechtsom draaien.

Tegenwoordig zou dit effect niet meer van toepassing zijn aangezien voor de smalle molenpalen de aerodynamica voor rechts- en linksdraaiende turbines gelijk is en ook de tandwielkasten en generatoren werken in beide richtingen even goed. Het voordeel van de ruimende wind valt daarmee weg: met elektromotoren kun je de wieken van windturbines alle kanten op zetten. Er wordt dan ook aangenomen dat de draairichting van windturbines een conventie is.

Gondel of nacelle

De gondel is de behuizing op de mast waarin zich de meeste apparatuur bevindt. Steeds meer fabrikanten geven hun gondel een aerodynamische vorm om zo de opbrengst verder te vergroten.

Tandwielkast

De rotatiesnelheid van de rotor is eigenlijk te laag om de generator op de noodzakelijke 50 Hz te laten draaien. De meeste windturbines hebben daarom een tandwielkast. Deze tandwielkast werkt als een versnellingsbak. Sommige windturbines hebben een zogenaamde ringgenerator.

Naaf

Verbinding tussen de bladen en de as.

Generator

De generator zet de beweging van de as om in elektriciteit, en levert de opgewekte stroom aan het openbare net. Het werkingsprincipe - een magneet draait in een spoel, is gelijk aan dat van een dynamo.

Daarnaast zijn er windturbines met een dubbel toerental-generator, deze veroorzaken minder geluidsoverlast en hebben een hoger rendement bij lage windsnelheden.

De modernste windturbines gebruiken een direct aangedreven generator. Doordat de tandwielkast ontbreekt wordt de gehele turbine veel betrouwbaarder (vrijwel geen bewegende delen). Omdat de generator dus even langzaam loopt als de rotor, zal deze een groot koppel moeten opbrengen. Het Nederlandse bedrijf Lagerwey Wind (zie ook Lagerwey) [1] heeft een model met een vermogen van 2 MW en een rotordiameter van 82 m. Doordat het toerental beneden de 20 rpm ligt, is een koppel vereist van boven 1 000 000 Nm.

Krui-installatie

De krui-installatie zorgt ervoor dat de rotor steeds naar de wind gericht blijft. Het kan voorkomen dat de wind een paar keer in dezelfde richting helemaal rondgedraaid is. Het mechaniek volgt de wind. Om te voorkomen dat de kabels in de mast dan teveel in elkaar draaien, draait de gondel dan een paar keer om zijn as tot de kabels weer goed hangen.

Mast

In Europa zijn vrijwel alle masten gesloten metalen cilinders. Vakwerkmasten zoals van elektriciteitsmasten zijn ook mogelijk. Die worden bijvoorbeeld op het platteland van India gebruikt waar de wegen niet goed genoeg zijn om de grote onderdelen van gesloten masten mee te vervoeren. Hoewel vakwerkmasten door sommigen als minder mooi worden ervaren, bespaart dit type wel materiaal.

Netaansluiting

Tot het einde van de jaren negentig waren de generators direct op het elektriciteitsnet aangesloten. Zo'n aansluiting is eigenlijk alleen mogelijk met een klein percentage windenergie in combinatie met een net met voldoende conventionele capaciteit om de frequentie van het net constant te houden. De reeds genoemde verstelling van de hoek van de rotorbladen maakte ondanks het constante toerental een aanpassing aan variabele windsnelheid mogelijk. Vandaag de dag maken vrijwel alle fabrikanten gebruik van zogenaamde variabele snelheidstechnologie. Dat houdt in dat een deel of alle stroom van de generator via een AC-DC-AC-omvormer wordt geleid. De windturbine geeft daardoor stroom met de gewenste frequentie af, zonder dat gewone centrales zogenaamde blindstroom hoeven te leveren. Met zo'n aansluiting kan de snelheid van de rotor variëren, hetgeen tot een optimale benutting van de beschikbare windenergie leidt. De meest toegepaste techniek voor grotere vermogens is gebruik van een zogenaamde dubbel gevoede inductie generator. Daarbij wordt de stator van de generator direct met het net verbonden. De rotor wordt via sleepcontacten bekrachtigd met een wisselspanning met een variabele frequentie, afhankelijk van het gewenste toerental. Het voordeel is dat slechts een klein deel van het vermogen (afhankelijk van het toerental) via een AC-DC AC omzetter geleid hoeft te worden. Het rendement bij lagere toerentallen is echter wat lager. De laatste jaren worden permanent magneet direct drive (zonder tandwielkast) generatoren ook voor de grootste vermogens toegepast. Hierbij moet het gehele vermogen via AC-DC-AC omzetters worden omgezet. De grootste vermogens on shore turbines (type E126 van het Duitse Enercon, 6MW) gebruiken direct drive synchrone generatoren met bekrachtigde ringrotor, die meer regelmogelijkheden biedt. Het Duitse bedrijf REpower gebruikt voor zijn 6,1MW turbine, die ook offshore ingezet kan worden, een dubbel gevoede inductie generator. Er zijn door netbeeherders de laatste jaren strenge normen opgesteld, bijvoorbeeld ten aanzien van het gedrag van waaraan de netvoeding door windturbines moet voldoen bij netfouten zoals korte netspannigsdaling, korte netspanningsonderbreking en frequentie-afwijkingen. Ook kunnen via een SCADA systeem door de netbeheerder wenswaardes voor arbeidsfactor of gewenst vermogen worden doorgegeven. Voor offshore windfarms kunnen andere concepten van vermogensomzetting gebruikt worden. Het kan bijvoorbeeld aantrekkelijk zijn voor transport van de elektrische energie naar land HVDC te gebruiken.

Venturi-windmolen

Een nieuw type windmolen is uitgevonden door de Nederlander Rikus van der Klippe. Hij studeerde Vliegtuigbouwkunde aan de Technische Universiteit Delft bij prof. ir. Jan in 't Veld. Zijn windmolen ziet er bolvormig uit. Het aparte aan dit model is het gepatenteerde venturi-effect dat hij opwekt. Daardoor levert de venturi-windmolen meer energie dan volgens zijn diameter te verwachten is. Dit model is op de markt als "Energy Ball", met een diameter van ca 1 m.

Bij een windmolen met rechte wieken, verbreedt de stromende lucht door het turbinevlak, en ook daarbuiten. De venturi windmolen is in staat ook een vernauwing van de stroming en daarna pas een verbreding te creëren. Daardoor is de venturi-windmolen in staat meer energie uit de wind te halen dan een windmolen met rechte wieken. De uiteindelijke verbreding van de stroming na de windmolen is het gevolg van het onttrekken van energie uit de wind.

Duurzaamheid

In tegenstelling tot de energie die een windmolen genereert, is niet alles aan een windmolen duurzaam. Zo zijn de meeste windmolenwieken gemaakt van een composiet van polyester en polyurethaan, een combinatie die na gebruik slecht te recyclen is. De levensduur van een windmolenwiek bedraagt ca. 15-20 jaar. De afvalstroom bedroeg in 2007 reeds 200 bladen per jaar, over 15 jaar zal die zijn toegenomen tot minstens 1200 wieken per jaar, een enorme afvalberg. Om het tweede leven van deze wieken te promoten, is door 2012Architecten een speeltuin ontworpen waar vijf afgeschreven wieken worden hergebruikt als speeltuin.

Opbouw van een moderne windturbine met verticale as

Verticale as windturbines (VAWT) zijn onafhankelijk van de windrichting wat een groot voordeel kan zijn als dergelijke windturbines worden geplaatst in situaties waarbij er sterke windrichtingsvariaties kunnen optreden. Er zijn echter ook een nadelen aan verticale-as-turbines. Om een goed rendement te verkrijgen moeten dergelijke windturbines wel volgens het liftprincipe zijn ontworpen. Een Darrieus windturbine is daarvan een voorbeeld. De Darius kent open en dichte rotoren. Dichte staan o.a. bij Aeolus en een open Darrieusrotor staat in de duinen bij het ECN ten noorden van Petten en is vanaf de weg zichtbaar. Onder goede windomstandigheden, met weinig variatie in windsnelheid en -richting presteren deze windturbines minder dan een gewone "propeller"-windturbine. Maar voor toepassing op gebouwen zijn verticale-as turbines zeer geschikt.

Sinds 2005 is een klein model van dit type op de markt, de Turby. Deze heeft drie smalle wieken in de vorm van een getordeerd rechthoekig raam. De Turby heeft daardoor een cilinder vormig volume van ca 1 m diameter en 2,5 m hoog.

Een ander model met verticale as voor kleinschalige opwekking is de windwokkel, waarbij een in doorsnede 'S'-vormig gebogen blad spiraalvormig getordeerd is. Hierdoor lijkt hij veel op het gelijknamige zoutje.

Windturbines in Nederland

Stand december 2008 WSH: Statistiek windenergie in Nederland ofwel: 1858 grote windmolens, samen met een generatorvermogen van 1736 MW.

		Jaarproductie		Vermogen		Aantal
	Provincie	MWh	%	MW	%	Turbines	%
1	Flevoland	969.032	37	471,280	40	523	31
2	Noord-Holland	466.886	18	199,695	17	296	17
3	Zuid-Holland	479.937	18	179,770	15	137	8
4	Friesland	275.363	10	110,540	9	307	18
5	Zeeland	182.975	7	79,745	7	155	9
6	Groningen	153.517	6	76,348	7	220	13

			Jaarproductie		Vermogen	Aantal
	Gemeente	Prov	MWh	%	MW	Turbines
1	Zeewolde	Fl	410.937	16	197,280	228
2	Rotterdam	Zh	343.283	13	117,450	65
3	Wieringermeer	Nh	281.457	11	113,560	94
4	Dronten	Fl	270.297	10	122,465	94
5	Lelystad	Fl	185.119	7	101,630	104

Een tijdje was de windturbine van Zoetermeer (1,5 MW vermogen, langs de A12) de hoogste turbine in Nederland. Molens met een tweemaal zo groot vermogen van 3,0 MW staan onder meer bij Neeltje Jans; ze zijn bijvoorbeeld van het type Vestas V90, met een rotordiameter van 90 meter en een torenhoogte van 80 of 105 meter.

In 2007 werd de helft van de in Nederland opgewekte groene stroom opgewekt door windturbines.

Bijna een kwart van het opgesteld vermogen in Nederland eind 2007, ruim 400 van de 1.700 MW, is aangesloten bij Coöperatie Windunie. De stroom uit deze windturbines wordt aan huishoudens geleverd onder de naam Winduniestroom.

Windturbines in Vlaanderen

Tijdslijn

Jaartal	Aantal turbines	Opgesteld vermogen	Jaarproductie
		MW	GWh
1994	9	22	9
1995	9	22	8,6
1996	9	22	7,9
1997	9	22	7,9
1998	9	24	10,8
1999	11	28	12,7
2000	13	34	15,5
2001	17	44	34,7
2002	34	52	56,3
2003	56	62	58,9
2004	59	77	95,04
2005	94	100	154,4
2006	130	109	237
2007	127	157	309
2008	110	181	?

Uit de bovenstaande cijfers blijkt dat in het jaar 2007 er een gezamenlijk vermogen was voorzien van 157 MW voor de Vlaamse windmolens. Indien windmolens met een gezamenlijk vermogen van 157 MW een jaar aan 100% van hun vermogen zouden werken, dan produceren ze samen 1375 GWh. In 2007 werd er slechts 309 GWh geproduceerd, in plaats van 1375 GWh. De windmolens werkten dus gemiddeld aan 22% van hun maximaal geïnstalleerd vermogen.

Deze cijfers kunnen geëxtrapoleerd worden. België verbruikt jaarlijks 78.000 GWh aan elektriciteit. Windenergie had in 2006 hier een bijdrage in van 1,4%. Indien windmolens 100% van de huidige elektriciteitsproductie zouden moeten voorzien, dan zijn er minstens 7.800 windmolens van 5 MW nodig. Dit betekent dat er 60 maal zoveel windmolens zouden moeten worden geplaatst als in de huidige situatie.

Lijst

(alfabetisch op gemeente)

Gemeente	Vermogen	Uitbater	Opmerkingen
Antwerpen, Zandvlietsluis	2 x 2MW, E70	VLEEMO
Beveren, Kallo	1 x 0,6 MW, Turbowinds T-600	GRC
Brugge, Herdersbrug	2 (2 x 0,6 MW) Turbowinds T-600-windturbines	Electrawinds Plus
Brugge, Herdersbrug	7 (7 x 0,6 MW) Turbowinds T-600-windturbines	Aspiravi Plus
Brugge, Herdersbrug	7 (7 x 1,8 MW) Enercon E66-windturbines	Electrawinds
Brugge, Herdersbrug	5 x 0,6 MW	Electrabel
Diksmuide	2 (2 x 0,8 MW) Enercon E-48-windturbines	coöperatie BeauVent
Eeklo	1 (1 x 1,8 MW) Enercon E66-windturbine	Aspiravi Plus
Eeklo	3 (2 x 1,8 MW en 1 x 0,6 MW) Enercon-windturbines	de coöperatie Ecopower
Gent, Oostakker	3 x 2 MW	Electrabel	op het terrein van Volvo Trucks
Gent, Rodenhuize	2 x 2 MW	Electrabel	op het terrein van Electrabel
Gent, Wondelgem	2 x 2 MW	Electrabel	op het industrieterrein Durmakker en de Vlaamse Dienst voor Arbeidsbemiddeling en Beroepsopleiding.
Gent, kluizendok	11 (11 x 2 MW) Enercon-windturbines	Ecopower en SPE Power
Gistel	1 x 2 MW	coöperatie BeauVent/Ecopower	langs de A18/E40 ten oosten van de afrit Gistel
Gistel	1 x 2 MW	Electrawinds	langs de E40
Gistel	4 x 2 MW, Enercon E70-4	Aspiravi	langs de E40
Halle	1 x 1,65 MW, Vestas V66	Colruyt
Hasselt, Godsheide	3 (3 x 0,4 MW) Turbowinds T-400-windturbines	Aspiravi	langs Albertkanaal
Hoogstraten	6 x 2 MW	Electrabel
Kapelle-op-den-Bos	3 (3x0,4 MW) Turbowinds T-400-windturbines	Aspiravi	sluis Zemst - Kanaal van Willebroek
Kasterlee (Lichtaart)	1 windturbine (0,66 MW)	Electrabel	in Bobbejaanland
Kruibeke	3 (3 x 2 MW) DeWind D8-windturbines	Fortech	met participatie van cvba Wase Wind langs de E17
Laakdal	6 x 1,5 MW	Seeba	op de terreinen van Nike tussen E313 en Albertkanaal, sinds juni 2006, 22GWh per jaar
Lanaken	4 (4 x 2 MW Vesta V80	Electrabel	Hoogte 100 meter, rotordiameter 80 m, langs Albertkanaal
Lommel	8 x 2MW (Vestas V80-100m)	Gislom	op de terreinen van Umicore langs de J&R Vlegelstraat
Middelkerke, Lombardsijde	1 x 0,66 MW Vestas V47 en 1 x 0,9 MW Neg Micon	Aspiravi
Puurs	2 x 2MW	Aspiravi	langs het kanaal Brussel-Rupel, op grond van de Vlaamse Gemeenschap
Schelle	3 x 1,5 MW	Electrabel
Zedelgem	1 (1 x 1,8 MW) Enercon E66-windturbine	Electrawinds
Zeebrugge, oostelijke strekdam en LNG-dam	24 (2x0,6 + 12x0,4 + 10x0,2 MW) Turbowinds-windturbines	Aspiravi	Dit windmolenpark werd reeds gebouwd in 1987 en was daarmee een van de eerste in Europa.

In aanbouw

• In Zeebrugge worden sinds september 2008 de 24 kleinere turbines uit 1987 vervangen door 14 grotere turbines van 850 kW.
• In Ieper komen er ook windmolens langs de kaai.
• Fortech bouwt in 2008 twee bijkomende windturbines in Melsele (Beveren) langs de E17
• De bouw van een farshore windenergiepark op de Thorntonbank, 27 à 30 km in de Noordzee is begonnen. De de eerste zes turbines werden geplaatst. Het park zou een geïnstalleerd vermogen van minimaal 216 MW en maximaal 300 MW krijgen. Dit komt op 60 windturbines van min. 3,6 MW tot max. 5 MW per turbine. De jaarproductie zou kunnen oplopen tot 1000 GWh.

Opbouw windturbinepark

De eerste bouwfase begint met het maken van de fundering in de Oostendse haven. Er worden in de eerste fase zes funderingen afgewerkt later worden de ladders en het toegangsplatvorm in de structuur geïntegreerd. Daarna worden ze over land naar de kaai getransporteerd en via een ponton naar de Thorntonbank.

De tweede fase bestaat uit het klaarmaken van de zeebodem. Eerst wordt de losse zandlaag weggebaggerd, daarna de dichtere zandlaag en vervolgens het overtollig zand en sedimenten. Dan volgt een grindlaag waar de funderingen op zullen rusten.

In de derde fase brengt het ponton de fundering naar de voorbereide locatie en zet hem neer op de grindlaag. De fundering wordt geballast en beveiligd zodat deze niet zou gaan bewegen.

De vierde fase bestaat uit het maken van de turbines. De onderdelen worden op elkaar gemonteerd en die worden door het ponton naar de fundering gebracht en gemonteerd.

Als laatste wordt de molen aangesloten op het elektriciteitsnetwerk en zo wordt de stroom naar de huizen van 600.000 Belgen gebracht.

In planning

• Ook op een volgende zandbank, evenwijdig aan de Thorntonbank, die de naam Bank Zonder Naam draagt, plant men een windmolenpark van 36 windturbines van elk 6 MW of 72 windturbines van elk 3 MW. Het project draagt de naam ELDEPASCO en bestaat uit de aandeelhouders Electrawinds, Depret, Aspiravi en Group Colruyt.
• In totaal zullen de zeven projecten rond de Thorntonbank en de zandbank Noordhinder over een vermogen van 2.300 MW beschikken. Dit windmolenpark zou 6% tot 10% kunnen leveren van de totale Belgische elektriciteit. Dit park zou, zolang een reusachtig Duits windmolenpark in zee niet klaar is, het grootste windmolenpark in zee ter wereld worden.
• Hasselt maakt een plan voor de bouw van 5 windmolens ter hoogte van de Grenslandhallen
• Langs de E313 ter hoogte van Herentals maakt men een plan voor een vijftal windturbines tegen 2010 met een hoogte van ongeveer 140 meter.
• Voor eind 2009 zijn in totaal 45 nieuwe windturbines gepland met een bijkomend vermogen van 84,4 MW. 57 MW hiervan betreft de turbines in West-Vlaanderen, maar ook in Antwerpen (14 MW) en Oost-Vlaanderen (13 MW) wordt het totale vermogen verhoogd.

Trivia

• In de hoofdstad van Bahrein, Manamah wordt het Bahrain World Trade Center gebouwd. Dit is 's werelds eerste wolkenkrabber waarin windturbines zijn geïntegreerd.

Zie ook

• Windenergie
• Windmolenpark
• Lijst van windturbinefabrikanten
• Turby windturbine
• Energy Ball
• Maglev windturbine

Externe links

  Vrije mediabestanden over Wind generators op Wikimedia Commons

• Windenergie.nl Webportal met praktische (bestuurlijke) informatie voor de ontwikkeling en bouw van grote windmolens en windmolenparken,
• Guided Tour on wind energy - Website in vijf talen (da, de, en, es, fr) met enorm uitgebreide informatie over de windturbine en alle bijbehorende zaken.
• Overzicht Europese windenergie technologie, opgesteld door Europese experts met subsidie van de Europese Gemeenschap
• C-Power - Site in drie talen (en, nl, fr) over het farshore windenergiepark op de Thortonbank.
• How Stuff Works, Wind Power - Eenvoudige (engelstalige) uitleg hoe energie uit wind gehaald kan worden.
• Aspiravi - Site in drie talen (en, nl, fr) informatie over hun organisatie, activiteiten, windenergie, foto's van de opbouw van een windturbine.
• Windmolens zijn lelijk, duur en leveren niks op door Prof. dr. Bernard van Praag, Universiteitshoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam, NRC, 6 februari 2008
• http://www.maglevwindturbine.com Nieuwe Windmolens die 1000 keer efficiënter zijn dan conventionele windmolens, en gaan wel 10 keer langer mee.
• Recente ontwikkelingen in de windturbine industrie (mei 2009)
• Wind turbine markt overzicht
• http://members.chello.nl/~ahj.domhof/Windmolen/Windmolens.htm de complete bouw van de enercon E82 in detail met beschrijving, foto's en video's

Windturbines naar bouwwijze

Windmolens naar bouwwijze