Windturbines

Een windturbine is een ronddraaiende machine die de kinetische energie van de wind omzet in mechanische energie. Als deze mechanische energie direct wordt benut (om te pompen of te vermalen), wordt het apparaat meestal geen turbine, maar windmolen genoemd. Apparaten waar de mechanische energie wordt omgezet in elektriciteit worden windturbines of windgeneratoren genoemd. In feite werken deze machines als een soort grote door de wind aangedreven fietsdynamo. Ondanks dat dit artikel in principe over windturbines gaat, beginnen we toch met een stukje geschiedenis. Want zoals je nog steeds terug kunt zien wordt de wind in Vlaanderen al honderden jaren gebruikt.

Windturbine in Aalborg te Denemarken

De eerste door de wind aangedreven machines werden al in 200 voor Christus gebruikt in het oude Perzië. Deze machines werden voornamelijk gebruikt om graan te verpulveren. Ze werden in 250 na Christus opnieuw uitgevonden door de Romeinen en opnieuw in gebruik genomen. In Denemarken stonden er in het jaar 1900 al 2500 windmolens die voor diverse doeleinden werden gebruikt. De eerste windmolen die elektriciteit produceerde (de eerste echte windturbine) werd in 1888 door Charles F. Brush gebouwd in Cleveland, Ohio. In 1908 waren er wereldwijd zo’n 72 windturbines, met vermogens van 5 tot 25 kW. In de jaren dertig van de twintigste eeuw namen windturbines een enorme vlucht in de landelijke Verenigde Staten, omdat het elektriciteitsnet daar nog niet landelijk dekkend was. Een voorloper van de huidige horizontale-as windturbine werd in 1931 in gebruik genomen in Yalta, Rusland. Het was een 10 kW generator op een 30m hoge toren. In 1954 werd in het Verenigd Koninkrijk voor het eerst een windmolen op het elektriciteitsnet aangesloten.

Turbines met horizontale as

De eerste echte windturbine
Windturbines waarvan de rotorbladen om een horizontale as draaien (zogenaamde HAWT-turbines; zie het artikel hoe werkt een windturbine) zijn de meest voorkomende soort. Het zijn de turbines die je in België op diverse plaatsen tegenkomt. Omdat de draaiing van de grote rotorbladen vaak te traag is voor een dynamo, bevindt zich achter de rotor een set tandwielen. Hierdoor is de uiteindelijke overdracht op de dynamo van voldoende snelheid om elektriciteit op te wekken. Omdat er achter de toren van de turbine turbulentie is, wordt de molen meestal tegen de wind in gekeerd. Omdat dit tegennatuurlijk is, is er een systeem nodig dat dit bewerkstelligt. Grotere windturbines draaien in de wind door middel van een windsensor die een servomotor aanstuurt. Kleine turbines gebruiken soms een windvaan. Om te voorkomen dat de bladen tegen de toren aanslaan, zijn ze van stevig materiaal en worden ze iets opwaarts gekeerd. Bij te hoge windsnelheden worden de turbines afgezet. De voordelen van een HAWT-molen zijn:

  • Stabiliteit. Omdat de rotorbladen aan de zijkant van het zwaartekrachtspunt staan, is de molen erg stabiel.
  • Kantelen. De rotorbladen kunnen tijdens storm gekanteld worden, zodat ze tegen schade beschermd zijn.
  • Hoogte. Hoge torens vangen veel wind!

De nadelen:

  • Laagte. Een HAWT kan niet goed opereren in de turbulente wind op geringe hoogte.
  • Installatie. Door de grote afmetingen, kan het duur zijn een turbine te transporteren en plaatsen.
  • Landschap. De aanwezigheid van een hoge windturbine als landschaps-element kan als storend ervaren worden.

Turbines met verticale as

Een Darrieus-molen

Een wat minder geziene variant is de verticale as windturbine (VAWT). De rotor-as van zo’n turbine is opwaarts gericht. Het grote voordeel van zo’n systeem, is dat de turbine niet in de wind gericht hoeft te worden. Dit levert met name in gebieden waar de windrichting sterk variabel is veel gemak op. Zowel de tandwielen als de generator kunnen bij een dergelijk systeem op de grond blijven, waardoor de toren deze niet hoeft te ondersteunen. Het is vanwege het gewicht echter erg moeilijk een VAWT op een hoge toren te plaatsen. Hierdoor worden ze vaak lager geplaatst, wat vanwege de lagere windsnelheid minder opbrengst levert. VAWTs zijn echter zeer geschikt bovenop gebouwen, omdat de wind door het gebouw via de top wordt gestuurd. Er zijn diverse ontwerpen mogelijk:

  • De Darrieus windturbine
  • De Gorlov windturbine
  • De Savonius windturbine

De voordelen:

  • Richten. De molen hoeft vanwege de verticale bladen niet in de wind gericht te worden.
  • Grootte. Ze kunnen groter gemaakt worden dan HAWTs. Een mogelijk idee is een drijvende VAWT waarvoor geen voet vereist is.
  • Onderhoud. De onderdelen bevinden zich lager bij de grond en zijn dus makkelijker te onderhouden.

De nadelen:

  • Opbrengst. Omdat een groot deel van de bladen op elk moment tegen de wind indraait, is de wrijving groter. Dit veroorzaakt een opbrengst tot wel 50% lager dan die van een horizontale turbine.
  • Plaatsing. VAWT-molens moeten opeen relatief vlak stuk land geplaatst worden. Voor een HAWT is een helling meestal geen probleem.
  • Opstarten. De koppel bij het starten van een VAWT is laag; vaak moet er extern energie aangevoerd worden om de turbine te starten.