Turbine-aerodynamica

In tegenstelling tot het ouderwetse Nederlandse windmolenontwerp, die voornamelijk afhankelijk was van de kracht van de wind om de bladen in beweging te duwen, moderne turbines gebruiken meer geavanceerde aerodynamisch principes om de energie van de wind het meest effectief op te vangen. De twee primaire aerodynamische krachten aan het werk in rotors van windturbines zijn: tillen , die loodrecht op de richting van de windstroom werkt; en sleuren , die evenwijdig aan de richting van de windstroom werkt.

Turbinebladen hebben veel weg van vliegtuigvleugels -- ze gebruiken een vleugelprofiel ontwerp. In een vleugel, een oppervlak van het blad is enigszins afgerond, terwijl de andere relatief vlak is. Lift is een behoorlijk complex fenomeen en kan in feite een Ph.D. in wiskunde of natuurkunde om volledig te begrijpen. Maar in een vereenvoudigde uitleg van lift, wanneer de wind over de ronde reist, benedenwindse zijde van het blad, het moet sneller bewegen om het einde van het blad op tijd te bereiken om de wind te ontmoeten die over de flat reist, bovenwindse zijde van het blad (in de richting van waaruit de wind waait). Omdat sneller bewegende lucht de neiging heeft om in de atmosfeer op te stijgen, de wind mee, gebogen oppervlak eindigt met een lagedrukzak er net boven. Het lagedrukgebied zuigt het blad in de windrichting, een effect dat bekend staat als 'lift'. Aan de bovenwindse kant van het blad, de wind beweegt langzamer en creëert een gebied met hogere druk dat op het blad drukt, proberen te vertragen. Zoals bij het ontwerp van een vliegtuigvleugel, een hoge hef-tot-sleepverhouding is essentieel bij het ontwerpen van een efficiënt turbineblad. Turbinebladen zijn gedraaid zodat ze altijd een hoek kunnen vormen die profiteert van de ideale hef-tot-sleepkrachtverhouding. Zie Hoe vliegtuigen werken voor meer informatie over lift, luchtweerstand en de aerodynamica van een vleugelprofiel.

Aerodynamica is niet de enige ontwerpoverweging die een rol speelt bij het creëren van een effectieve windturbine. Maat zaken -- hoe langer de turbinebladen (en dus hoe groter de diameter van de rotor), hoe meer energie een turbine uit de wind kan halen en hoe groter het elektriciteitsopwekkingsvermogen. In het algemeen, verdubbeling van de rotordiameter produceert een viervoudige toename van de energie-output. In sommige gevallen, echter, in een gebied met lagere windsnelheden, een rotor met een kleinere diameter kan uiteindelijk meer energie produceren dan een grotere rotor, omdat met een kleinere opstelling, er is minder windenergie nodig om de kleinere generator te laten draaien, zodat de turbine bijna altijd op volle capaciteit kan draaien. toren hoogte is een belangrijke factor in de productiecapaciteit, ook. Hoe hoger de turbine, hoe meer energie het kan opvangen omdat de windsnelheid toeneemt naarmate de hoogte toeneemt - grondwrijving en objecten op de grond onderbreken de stroming van de wind. Wetenschappers schatten een toename van de windsnelheid met 12 procent bij elke verdubbeling van de hoogte.

Vermogen berekenen

Om te berekenen hoeveel stroom een ​​turbine daadwerkelijk uit de wind kan opwekken, u moet de windsnelheid op de turbinelocatie en het turbinevermogen weten. De meeste grote turbines produceren hun maximale vermogen bij windsnelheden van ongeveer 15 meter per seconde (33 mph). Rekening houdend met constante windsnelheden, het is de diameter van de rotor die bepaalt hoeveel energie een turbine kan opwekken. Houd er rekening mee dat naarmate een rotordiameter groter wordt, de hoogte van de toren neemt ook toe, wat meer toegang tot snellere wind betekent.

Bij 33 mph, de meeste grote turbines genereren hun nominale vermogen, en bij 45 mph (20 meter per seconde), de meeste grote turbines stilgelegd. Er zijn een aantal veiligheidssystemen die een turbine kan uitschakelen als windsnelheden de constructie bedreigen, inclusief een opmerkelijk eenvoudige trillingssensor die in sommige turbines wordt gebruikt en die in feite bestaat uit een metalen bal die aan een ketting is bevestigd, op een kleine sokkel. Als de turbine boven een bepaalde drempel begint te trillen, de bal valt van het voetstuk, aan de ketting trekken en een uitschakeling veroorzaken.

Waarschijnlijk het meest geactiveerde veiligheidssysteem in een turbine is de "remsysteem , die wordt veroorzaakt door windsnelheden boven de drempel. Deze opstellingen gebruiken een vermogensregelsysteem dat in wezen de remmen raakt wanneer de windsnelheid te hoog wordt en vervolgens "de remmen loslaat" wanneer de wind terug onder de 45 mph is. Moderne ontwerpen met grote turbines gebruiken verschillende soorten remsystemen:

• Pitch controle - De elektronische besturing van de turbine bewaakt het uitgangsvermogen van de turbine. Bij windsnelheden van meer dan 45 mph, het uitgangsvermogen zal te hoog zijn, op dat moment vertelt de controller de bladen om hun toonhoogte te wijzigen zodat ze niet uitgelijnd raken met de wind. Dit vertraagt ​​de rotatie van de messen. Pitch-gecontroleerde systemen vereisen dat de montagehoek van de bladen (op de rotor) instelbaar is.
• Passieve stalcontrole - De bladen zijn onder een vaste hoek op de rotor gemonteerd, maar zijn zo ontworpen dat de wendingen in de bladen zelf de remmen zullen activeren zodra de wind te snel wordt. De bladen zijn zo gehoekt dat wind boven een bepaalde snelheid turbulentie zal veroorzaken aan de bovenwindse kant van het blad, inducerende kraam. Simpel gezegd, aërodynamische stalling treedt op wanneer de hoek van het blad tegenover de naderende wind zo steil wordt dat het de kracht van de lift begint te elimineren, het verminderen van de snelheid van de messen.
• Actieve overtrekcontrole - De bladen in dit type power-control systeem zijn pitchable, zoals de bladen in een pitch-gecontroleerd systeem. Een actief stall-systeem leest het uitgangsvermogen zoals een pitch-gestuurd systeem dat doet, maar in plaats van de wieken uit lijn met de wind te zetten, het werpt ze op om kraam te produceren.

(Zie Petester's Basic Aerodynamics voor een mooie uitleg van zowel lift als stil.)

wereldwijd, minstens 50, 000 windturbines produceren jaarlijks in totaal 50 miljard kilowattuur (kWh). In de volgende sectie, we onderzoeken de beschikbaarheid van windbronnen en hoeveel elektriciteit windturbines daadwerkelijk kunnen produceren.

Windenergiebronnen en economie

• Watt (W) - elektriciteitsopwekkingsvermogen
  1 megawatt (MW, 1 miljoen watt) windenergie kan in één jaar 2,4 miljoen tot 3 miljoen kilowattuur elektriciteit produceren.
• Kilowattuur (kWh) - één kilowatt (kW, 1, 000 watt) elektriciteit opgewekt of verbruikt in één uur

Op wereldwijde schaal, windturbines wekken momenteel ongeveer evenveel elektriciteit op als acht grote kerncentrales. Dat omvat niet alleen turbines op utiliteitsschaal, maar ook kleine turbines die elektriciteit opwekken voor individuele woningen of bedrijven (soms gebruikt in combinatie met fotovoltaïsche zonne-energie). Een kleine, Een turbine met een vermogen van 10 kW kan tot 16, 000 kWh per jaar, en een typisch Amerikaans huishouden verbruikt ongeveer 10, 000 kWh per jaar.

Een typische grote windturbine kan tot 1,8 MW elektriciteit opwekken, of 5,2 miljoen KWh per jaar, onder ideale omstandigheden - genoeg om bijna 600 huishoudens van stroom te voorzien. Nog altijd, kern- en kolencentrales kunnen elektriciteit goedkoper produceren dan windturbines. Dus waarom windenergie gebruiken? De twee grootste redenen om wind te gebruiken om elektriciteit op te wekken zijn de meest voor de hand liggende:windenergie is: schoon , en zijn hernieuwbaar . Er komen geen schadelijke gassen zoals CO2 en stikstofoxiden in de atmosfeer terecht zoals steenkool dat doet (zie Hoe de opwarming van de aarde werkt), en we lopen geen gevaar dat we snel zonder wind komen te zitten. Er is ook de onafhankelijkheid die gepaard gaat met windenergie, zoals elk land het thuis kan genereren zonder buitenlandse steun. En een windturbine kan elektriciteit naar afgelegen gebieden brengen die niet door het centrale elektriciteitsnet worden bediend.

Maar er zijn nadelen, te. Windturbines kunnen niet altijd op 100 procent vermogen draaien, zoals veel andere soorten energiecentrales, omdat de windsnelheden fluctueren. Windturbines kunnen luidruchtig zijn als u in de buurt van een windcentrale woont, ze kunnen gevaarlijk zijn voor vogels en vleermuizen, en in dicht opeengepakte woestijngebieden bestaat het risico van landerosie als je de grond opgraaft om turbines te installeren. Ook, aangezien wind een relatief onbetrouwbare energiebron is, exploitanten van windenergiecentrales moeten het systeem ondersteunen met een kleine hoeveelheid betrouwbare, niet-hernieuwbare energie voor tijden dat de wind afneemt. Sommigen beweren dat het gebruik van onreine energie om de productie van schone energie te ondersteunen de voordelen teniet doet, maar de windindustrie beweert dat de hoeveelheid onreine energie die nodig is om een ​​constante toevoer van elektriciteit in een windsysteem in stand te houden, veel te klein is om de voordelen van het opwekken van windenergie teniet te doen.

Gebruik van windenergie in de VS

Potentiële nadelen terzijde, de Verenigde Staten heeft een groot aantal windturbines geïnstalleerd, in totaal meer dan 9, 000 MW aan opwekvermogen in 2006. Dat vermogen wekt in de buurt van 25 miljard kWhof elektriciteit op, dat klinkt als veel, maar is in werkelijkheid minder dan 1 procent van de jaarlijkse stroomproductie in het land. Met ingang van 2005, De elektriciteitsopwekking in de VS verloopt als volgt:

• Steenkool :52%
• nucleair :20%
• Natuurlijk gas :16%
• Waterkracht :7%
• Ander (inclusief wind, biomassa, geothermie en zonne-energie):5%

Bron:American Wind Energy Association

De huidige totale elektriciteitsproductie in de Verenigde Staten bedraagt ​​jaarlijks 3,6 biljoen kWh. Wind heeft het potentieel om veel meer dan 1 procent van die elektriciteit op te wekken. Volgens de Amerikaanse WindEnergy Association, het geschatte Amerikaanse windenergiepotentieel is ongeveer 10,8 biljoen kWh per jaar - ongeveer gelijk aan de hoeveelheid energie in 20 miljard vaten olie (de huidige wereldwijde jaarlijkse olievoorraad). Om windenergie in een bepaald gebied haalbaar te maken, het vereist minimale windsnelheden van 9 mph (3 meter per seconde) voor kleine turbines en 13 mph (6 meter per seconde) voor grote turbines. Die windsnelheden zijn gebruikelijk in de Verenigde Staten, hoewel het meeste niet wordt gebruikt.

Als het om windturbines gaat, plaatsing is alles. Weten hoeveel wind een gebied heeft, wat de snelheden zijn en hoe lang die snelheden duren, zijn de cruciale beslissende factoren bij het bouwen van een efficiënt windpark. De kinetische energie in wind neemt exponentieel toe in verhouding tot zijn snelheid, dus een kleine toename van de windsnelheid is in feite een grote toename van het vermogenspotentieel. De algemene vuistregel is dat met een verdubbeling van de windsnelheid een achtvoudige toename van het vermogenspotentieel komt. Dus theoretisch, een turbine in een gebied met gemiddelde windsnelheden van 26 mph zal in feite acht keer meer elektriciteit opwekken dan een opstelling waar windsnelheden gemiddeld 13 mph zijn. Het is "theoretisch" omdat de toestand in de echte wereld, er is een grens aan de hoeveelheid energie die een turbine uit de wind kan halen. Het heet de Betz-limiet, en het is ongeveer 59 procent. Maar een kleine toename van de windsnelheid leidt nog steeds tot een aanzienlijke toename van het vermogen.

Windparken

Zoals in de meeste andere gebieden van energieproductie, als het gaat om het opvangen van energie uit de wind, efficiëntie komt in grote aantallen. Groepen grote turbines, genaamd windparken of windplanten, zijn de meest kostenefficiënte inzet van windenergiecapaciteit. De meest voorkomende windturbines op utiliteitsschaal hebben een vermogen tussen 700 kW en 1,8 MW, en ze zijn gegroepeerd om de meeste elektriciteit uit de beschikbare windbronnen te halen. Ze liggen doorgaans ver uit elkaar in landelijke gebieden met hoge windsnelheden, en de kleine voetafdruk van HAWT's betekent dat het landbouwgebruik van het land vrijwel onaangetast blijft. Windparken hebben capaciteiten variërend van enkele MW tot honderden MW. 'S Werelds grootste windcentrale is het Raheenleagh Wind Farm, gelegen voor de kust van Ierland. Op volle capaciteit (het werkt momenteel op gedeeltelijke capaciteit), het zal 200 turbines hebben, een totaal vermogen van 520 MW en kost bijna $ 600 miljoen om te bouwen.

De kosten van windenergie op nutsschaal zijn de afgelopen twee decennia dramatisch gedaald als gevolg van technologische en ontwerpverbeteringen in de productie en installatie van turbines. In het begin van de jaren tachtig, windenergie kost ongeveer 30 cent per kWh. In 2006, windenergie kost slechts 3 tot 5 cent per kWh waar wind vooral overvloedig is. Hoe hoger de windsnelheid in de tijd in een bepaald turbinegebied, hoe lager de kosten van de elektriciteit die de turbine produceert. Gemiddeld, de kosten van windenergie zijn ongeveer 4 tot 10 cent per kWh in de Verenigde Staten.

Veel grote energiebedrijven bieden " groene prijzen " programma's waarmee klanten meer per kWh kunnen betalen om windenergie te gebruiken in plaats van energie uit "systeemvermogen, " wat de pool is van alle elektriciteit die in het gebied wordt geproduceerd, hernieuwbaar en niet-hernieuwbaar. Als u ervoor kiest om windenergie in te kopen en u woont in de buurt van een windpark, de elektriciteit die u in uw huis gebruikt, kan daadwerkelijk door de wind worden opgewekt; vaker, de hogere prijs die u betaalt, ondersteunt de kosten van windenergie, maar de elektriciteit die u in uw huis gebruikt, komt nog steeds van systeemvoeding. In staten waar de energiemarkt is gedereguleerd, consumenten kunnen "groene stroom" rechtstreeks kopen bij een leverancier van hernieuwbare energie, in welk geval de elektriciteit die ze in hun huizen gebruiken zeker afkomstig is van wind of andere hernieuwbare bronnen.

Het implementeren van een klein windturbinesysteem voor uw eigen behoeften is een manier om te garanderen dat de energie die u gebruikt schoon en hernieuwbaar is. Een turbine-installatie voor woningen of bedrijven kan overal vanaf $ 5 kosten, 000 tot $ 80, 000. Een grootschalige installatie kost veel meer. Een, Een turbine van 1,8 MW kan tot $ 1,5 miljoen geïnstalleerd worden, en dat is exclusief het land, transmissielijnen en andere infrastructuurkosten in verband met een windenergiesysteem. Algemeen, windparken kosten in de buurt van $1, 000 per kW vermogen, dus een windpark bestaande uit zeven 1,8 MW-turbines draait ongeveer $ 12,6 miljoen. De "terugverdientijd" voor een grote windturbine -- de tijd die nodig is om voldoende elektriciteit op te wekken om het energieverbruik van het bouwen en installeren van de turbine te compenseren -- is ongeveer drie tot acht maanden, volgens de American Wind Energy Association.

Overheidsprikkels

Overheidsprikkels voor zowel grote als kleine producenten dragen bij aan de economische haalbaarheid van een windenergiesysteem. Slechts enkele van de huidige economische stimuleringsprogramma's voor hernieuwbare energiesystemen zijn:

• Productiebelastingkrediet :In principe, windenergie generatoren, meestal bedrijven, ontvang 1,8 cent (per dec. 2005) per kWh geproduceerde windenergie voor groothandelsdistributie gedurende de eerste 10 jaar dat het windpark operationeel is.

• Netto meting - In dit systeem particulieren en bedrijven die hernieuwbare energie produceren, ontvangen credits voor elke kWh die ze boven hun eigen behoeften produceren. Wanneer iemand meer elektriciteit produceert dan hij nodig heeft, zijn vermogensmeter loopt achteruit, die overtollige elektriciteit naar het elektriciteitsnet sturen. Hij krijgt credits voor de elektriciteit die hij aan het net levert, die gelden als betaling voor de elektriciteit die hij van het net haalt wanneer zijn turbine niet genoeg stroom kan leveren voor zijn huis of bedrijf. (Veel grote energiebedrijven geven niet veel om deze opstelling, omdat ze in wezen de windenergie van de individuele producent kopen tegen de kleinhandelsprijs in plaats van de groothandelsprijs die ze een windpark zouden betalen.)

• Credits voor hernieuwbare energie - Veel staten hebben nu quota voor hernieuwbare energie voor energiebedrijven, waarbij die bedrijven een bepaald percentage van hun elektriciteit uit hernieuwbare bronnen moeten kopen. Als iemand met zijn eigen turbine in een staat woont die een "groen kredietprogramma" heeft, " hij ontvangt verhandelbare credits voor elke megawattuur hernieuwbare energie die hij in een jaar produceert. Hij kan die credits vervolgens verkopen aan grote, conventionele energiebedrijven die hun staats- of federale quotum voor hernieuwbare energie willen halen.

• Installatie belastingverminderingen :De federale overheid en sommige staten bieden belastingverminderingen aan voor de kosten van het opzetten van een systeem voor hernieuwbare energie. Maryland, bijvoorbeeld, biedt bedrijven of verhuurders een krediet voor 25 procent van de kosten van aanschaf en installatie van een windturbinesysteem als het gebouw met energievoorziening aan bepaalde algemene "groene criteria" voldoet.

Foto met dank aan NREL (links) en stock.xchng
Residentiële windturbine (links) en windturbine op utiliteitsschaal

Terwijl windenergie nog steeds gesubsidieerd wordt door de overheid, het is momenteel een concurrerend product en, volgens de meeste accounts, kan op zichzelf staan ​​als een levensvatbare krachtbron. Het Battelle Pacific Northwest-laboratorium, een laboratorium van het Amerikaanse Department of Energy, wetenschap en technologie, schat dat windenergie in staat is om 20 procent van de elektriciteit in de Verenigde Staten te leveren op basis van alleen windbronnen. De American Wind Energy Association schat dat aantal op een theoretische 100 procent. Welke schatting ook klopt, de Verenigde Staten zullen die percentages waarschijnlijk niet snel zien. De American Wind Energy Association projecteert dat tegen 2020, wind zal 6 procent van alle Amerikaanse elektriciteit leveren. Terwijl de Verenigde Staten een van de grootste geïnstalleerde windenergiebases ter wereld hebben in termen van puur wattage, procentueel gezien, het loopt achter op andere ontwikkelde landen. Het Verenigd Koninkrijk heeft een vooropgesteld doel van 10 procent windenergie in 2010. Duitsland genereert momenteel 8 procent van zijn stroom uit wind, en Spanje zit op 6 procent. Denemarken, de wereldleider in het verbruik van schone energie, haalt meer dan 20 procent van zijn elektriciteit uit wind.

Voor meer informatie over windenergie en aanverwante onderwerpen, bekijk de links op de volgende pagina.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

• Hoe biodiesel werkt
• Hoe noodstroomsystemen werken
• Hoe brandstofcellen werken
• Hoe de waterstofeconomie werkt
• Hoe waterkrachtcentrales werken
• Hoe kernenergie werkt
• Hoe elektriciteitsnetten werken
• Hoe zonnecellen werken

• Actie Hernieuwbare energie:Calculator voor kosten van hernieuwbare energie
• Amerikaanse Vereniging voor Windenergie
• Deense Vereniging voor Windindustrie
• De Europese Vereniging voor Windenergie
• Nucleaire toerist:vergelijkingen van verschillende energiebronnen
• TreeHugger:zonne-energie