Windturbines: techniek

Onderdelen van een windturbine

Een windturbine bestaat uit de volgende grote onderdelen.
- de mast zorgt ervoor dat de wind op grotere hoogte kunnen benut worden;
- de gondel bovenop de mast draagt de wieken en bevat de belangrijkste onderdelen, zoals de elektrische generator;
- de wieken vangen de windenergie op en geven de draaibeweging door aan de elektrische apparatuur.

Een groot deel van de windturbines in Vlaanderen hebben een ashoogte van ongeveer 100 m en een wiekdiameter van 80 m. Hierdoor is de totale hoogte van deze turbines zowat 140 m. Deze turbines hebben een vermogen van ongeveer 2 megawatt (MW) en kunnen elektriciteit leveren aan ongeveer 1100 tot 1400 gezinnen (afhankelijk van de locatie van de turbine en het verbruik van de gezinnen).

Recent zijn ook grotere turbines geïnstalleerd met een groter vermogen, van 2,3 MW tot 3 MW (aan de Kruisschans in de haven van Antwerpen).

Werking van een windturbine

In essentie is een windturbine niets anders dan een systeem waarbij de energie uit de lucht wordt gehaald en omgezet in elektrische energie. Toch maken windturbines gebruik van bijzonder veel toptechnologie. De heeft gebruik gemaakt van bestaande technologiën, maar andere systemen zijn dankzij de windenergie ontwikkeld.

Wieken

De wieken zijn de meest opvallende delen van de turbine. Wieken bestaan uit composietmateriaal waarbij glasvezel en koolstofvezel wordt gebruikt. Ze moeten sterk en licht tegelijkertijd zijn. De wieken worden steeds optimaal in de wind geplaatst door de autonome sturing van de windturbine. Door de wieken loodrecht op de windrichting te plaatsen is de mechanische belasting evenwichtig verdeeld en kan meest energie uit de wind worden gewonnen. Bij zwakkere windsnelheden worden de wieken zo geplaatst dat ze veel wind vangen. Bij meer krachtige windsnelheden worden de wieken schuiner geplaatst zodat er meer wind langs loopt. De turbine kan stilgelegd worden door de wieken volledig in vaanstand te draaien. Dit is de stand waarbij de wieken met de smalste zijde naar de wind gedraaid zijn en de wind er dus langs stroomt. De wind heeft dan niet genoeg kracht om de wieken te laten draaien.

Gondel

De gondel is het gedeelte bovenaan de mast waarin zich de belangrijkste onderdelen bevinden, zoals de generator. Dit is het onderdeel waarmee de beweging uit de wind wordt omgezet naar elektriciteit. Bij de meeste windturbines wordt de generator voorafgegaan door een tandwielkast. Met de tandwielkast wordt de trage beweging van de wieken omgezet in een snelle rotatie. Het is te vergelijken met een verandering van de omwentelingssnelheid waar de versnellingen van een fiets voor zorgen.

Bovenop de gondel is de ideale plaats om de weerssituatie te meten. Windrichting, windsnelheid en temperatuur worden er permanent gemeten. De gegevens worden gebruikt in het automatisch sturingssysteem van de windturbine. Ook een aantal veiligheidssystemen, zoals de remsystemen voor de wieken en de waarschuwingslampen voor de luchtvaart, bevinden zich in de gondel.

Mast

De mast bestaat meestal uit beton en/of staal. De mast kan ofwel een volle constructie zijn, of een zogenaamde vakwerkmast die vergelijkbaar is met de pylonen die gebruikt worden bij hoogspanningslijnen.

Electriciteitsproductie

1 MW = 1.000 kW = 1.000.000 W
Om uit te drukken wat de capaciteit van een turbine is wordt het maximale vermogen weergegeven. De eenheid hiervan is Watt of afgekort W. Omdat moderne turbines over een groot vermogen beschikken wordt dit meestal uitgedrukt in Mega Watt, afgekort MW. De turbines die vandaag in Vlaanderen gebouwd worden hebben meestal een vermogen van 2 tot 3 MW, de tubines van C-Power op zee hebben een vermogen van elk 5 MW. Het vermogen van de kleine windturbines wordt uitgedrukt in kW. Ook het vermogen van elektriciteitsverbruikers wordt weergegeven is W of kW. Bijvoorbeeld een spaarlamp van 11 W of een elektrische bijverwarming van 2 kW of 2.000 W.

1 GWh = 1.000 MWh = 1.000.000 kWh = 1.000.000.000 Wh
De hoeveelheid elektriciteit die een windturbine produceert wordt uitgedrukt in gigaWatt uur of afgekort: GWh.
Ook het verbruik van elektriciteit wordt uitgedrukt in Wh. Als de spaarlamp van 11 W gedurende 1 uur brandt verbruikt ze 11 Wh. De elektrische bijverwarming uit het voorbeeld hierboven verbruikt per uur werking 2 kWh of 2.000 Wh. Een gezin verbruikt per jaar bijvooreeld gemiddeld 3.500 kWh of 3,5 MWh.

Vollasturen
Om te weten hoeveel elektriciteit een windturbine kan gaan leveren is het niet voldoende om alleen het maximale vermogen te kennen. Het moet ook duidelijk zijn hoeveel de turbine zal kunnen draaien. Het totale aantal draaiuren is daarbij niet de meest aangewezen maatstaf. De turbine zal immers niet altijd het maximale vermogen leveren. Daarom wordt een omrekening gedaan. Men telt alle verwachte productie samen. Op basis daarvan wordt berekend hoeveel uren de turbine op vol vermogen zou moet draaien om deze productie te leveren. Op de figuur hieronder stelt de gele grafiek de productieverdeling in de tijd voor. De groene rechthoek stelt even veel productie voor, maar samengevat in de korts mogelijke tijd.

Het aantal vollasturen is een maat voor de te verwachten energieproductie. Het is dus niet hetzelfde als de tijd waarin de windturbine actief is. En het is ook niet bruikbaar om "het rendement" te vergelijken met het rendement van andere installaties waarbij actief energie moet worden toegevoerd. Het energetisch rendement van een windturbine is zeer hoog. Immers, de energie die er wordt ingestoken om de turbine te maken, is reeds na 6 tot 8 maand terug verdiend.