Werking

Werking

Het principe van een windturbine is eenvoudig. Door de vorm van de wieken ontstaat er een liftkracht die ervoor zorgt dat de rotor ronddraait.
Het trage toerental van de rotor wordt versneld via een overbrenging zodat de generator voldoende toeren maakt om stroom te genereren.


Deze Java applet simuleert een generator waarvan, i.v.m. de duidelijkheid, slechts de meest belangrijke delen getekend zijn. In plaats van een spoel met veel windingen en een ijzeren kern, is er slechts één rechthoekige winding getekend. De as waaromheen de winding draait is weggelaten. Met de keuzerondjes in de rechter bovenhoek kun je kiezen uit een wisselstroomdynamo (zonder commutator), of een gelijkstroomdynamo (met commutator). Je kunt de draairichting veranderen met de bijbehorende knop. Ook kun je de omwentelingssnelheid regelen met de schuifknop. Je kunt stoppen of doorgaan met de "Pauze / Doorgaan" knop. Deze knop stopt de beweging niet echt, want in dat geval zou de inductiespanning 0 volt moeten zijn. Je kunt op die manier echter wel even een momentopname maken. Twee zwarte pijlen geven de richting van de beweging aan. De magnetische veldlijnen (van de rode noordpool naar de groene zuidpool gericht) herken je aan de blauwe kleur. De rode pijlen geven de richting van de geproduceerde stroom weer.

Liftkracht

Hetzelfde principe dat er voor zorgt dat een vliegtuig kan vliegen, zorgt er voor dat een windrotor draait.

Wanneer we het vleugelprofiel bekijken zien we dat de lucht die over het profiel stroomt een langere weg aflegt dan de lucht eronder. Er ontstaat bovenaan een onderdruk en aan de windzijde een overdruk. Dit drukverschil zorgt voor een resulterende opwaartse kracht loodrecht op de aanstroomrichting : de liftkracht!

De doorsnede van een wiek of blad van een windmolen is ook een vleugelprofiel. Wanneer het wordt aangestroomd, ontstaat er ook een liftkracht die hier wordt omgezet in een mechanisch koppel.

Waarom draaien windmolens niet altijd gelijk?

De meeste windturbines zijn uitgerust met asynchrone generatoren. In principe zijn asynchrone generatoren en motoren identieke toestellen. Elke hobbyknutselaar zal wel ooit het vreemde toerental van 1495 of 1493 t/m op een naamplaatje van een motor gelezen hebben. Het net draait namelijk met een snelheid van 1500 t/m in de stator (vaste deel van de motor) en om te kunnen werken, moet de rotor (draaiende gedeelte) van de motor altijd een beetje trager draaien dan het net. Dat verschil noemt men in het vakjargon ‘de slip’. Zonder deze slip kan de motor geen kracht op de as leveren. Voor een generator is dat eigenlijk hetzelfde. Alleen moet in een generator de rotor worden aangedreven door een externe krachtbron (cfr. wind) en die wind moet een toerental genereren dat iets hoger ligt dan die van het net. Dus iets meer dan 1500 t/m.

Praktisch betekent het dat de windturbines kunnen beginnen werken als het toerental van de rotor in de generator zich bevindt tussen 1500 en 1515 t/m. Het opgewekte vermogen op 1500 t/m is quasi = 0 en het maximale vermogen wordt opgewekt bij 1515 t/m.

Een motor heeft een stabiele krachtbron, voor windturbines is die krachtbron wind, en die is zeer variabel en wispelturig. En dan ook nog eens onderhevig aan storingen van obstakels op de grond (vorming van turbulentie). Logisch dus dat het geleverde vermogen op de wieken niet constant is. Het gevolg is dat het toerental van de generator continu schommelt tussen 1500 en 1515 t/m. Het is maar een zeer klein verschil, maar toch voldoende om de wieken niet gelijkmatig te laten draaien. Dit fenomeen doet zich sterker voor naarmate de windsnelheid daalt en turbulenties meer invloed krijgen. Hoe sterker de wind, hoe gelijker de turbines draaien, omdat de rotorsnelheden dan bijna continu naar 1515 t/m worden gedreven.

Waarom staan windmolens niet altijd in dezelfde richting?

Dat de windmolens ook niet altijd allemaal in dezelfde richting staan opgesteld, heeft met hetzelfde verschijnsel te maken. Vooral zwakke wind is nogal wispelturig en schommelt in sterkte en richting. Het gevolg is dat de wind, die de windvaan achter op de gondel van de windturbines steeds in de windrichting zet, voor de windturbines in de groep niet steeds dezelfde richting en kracht heeft. Verder wordt er bijkomende turbulentie veroorzaakt door gebouwen in de onmiddellijke omgeving. Trouwens, ook de windturbines beïnvloeden mekaar. De middenste windturbine heeft daar duidelijk het meest last, zoals de goede observatoren onder ons mogelijk al hebben kunnen waarnemen. Daarom is het raadzaam de windturbines minstens 10 maal de wieklengte uit elkaar te plaatsen.