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 op de Maasvlakte.
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.
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
- 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. Deze wieken waren zo van vorm 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 de rotorbladen zit een tandwielprofiel die met een kleiner tandwiel, waar een elektromotor aan bevestigd is, 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 geluid. Bovendien zorgt de asymmetrische belasting van de wieken voor versnelde slijtage.
Op het Noordelijk halfrond draaien de meeste moderne molens rechtsom (met de wijzers van de klok mee), bezien met de wind in de rug. Dit geeft een extra rendement, omdat 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.
Gondel of nacelle
De gondel is de behuizing op de mast waarin zich de meeste apparatuur bevindt en is als het ware het brein van de windturbine. 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. Het is eigenlijk niets anders dan een grote dynamo.
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. 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.
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 Darrieus 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 windcondities, 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.