Links, een oude windmolen staat tegen de blauwe lucht in Consuegra, Spanje, terwijl windturbines, rechts, elektriciteit opwekken bij de San Gorgonio Pass Wind Farm in de buurt van Palm Springs, Californië. Windmolen:Pixabay; windturbine:Robert Alexander/Getty Images

Als de wind waait, zo ook de wieken van windmolens en windturbines. Deze enorme machines met schoepen bestaan ​​al meer dan 1, 000 jaar, met de eerste windmolens die rond 800 G.T. in Perzië verschenen.

Deze vroege windmolens werden gebruikt voor precies wat hun naam aangeeft - het waren molens die door de wind werden aangedreven. Wind zou de wieken laten draaien, of messen, van de molen, het roteren van een centrale as, die dan een graanmolen zou laten draaien, meestal gemaakt van grote, platte stenen, om meel en andere graanproducten te produceren. Deze windmolens dienden ook nog een ander belangrijk doel:het pompen van water naar steden en huizen. In plaats van een graanmolen te spinnen, de rotatie van de windmolen zou kunnen worden gebruikt om een ​​pomp aan te drijven.

Hoewel windmolens al eeuwen bestaan, windturbines bestaan ​​pas sinds ongeveer 1888, toen de eerste bekende windturbine gemaakt voor elektriciteitsproductie in de VS werd gebouwd door uitvinder Charles Brush om elektriciteit op te wekken voor zijn herenhuis in Ohio. Windturbines worden gebruikt om elektriciteit op te wekken door het draaien van de wieken, in plaats van die draaiende energie simpelweg om te zetten in meer mechanisch werk, zoals het draaien van een molen of het oppompen van water.

"Een windturbine in de Verenigde Staten is ongeveer 85 meter hoog, terwijl de oudere windmolen normaal gesproken geen 80 voet (24 meter) zou halen, " zegt James Herzing, ingenieur en bekroonde gastheer van de podcast Unprofessional Engineering, in een e-mailgesprek. "De grootte van de zeilen of wieken is een ander groot verschil. Windmolens worden traditioneel gemeten aan de hand van de wieldiameter, en het is niet ongewoon om een ​​windmolen van 2 meter te zien, waarbij 8 voet wordt gemeten over de bladen. Windturbines, anderzijds, kan een enkel blad hebben van meer dan 30 meter lang."

Hoe windmolens werken

Hoewel windmolens enkele van de oudste en meest vitale machines voor de beschaving zijn en over het algemeen worden gebruikt om water te pompen of graan te malen, ze hebben wel een aantal andere functionele verschillen met de veel nieuwere windturbinetechnologie.

De wieken van een windmolen bevinden zich dicht bij de grond en moeten dus luchtstromen dicht bij de grond benutten om te kunnen draaien. Omdat windstromen over het algemeen minder dicht bij het aardoppervlak zijn dan in hogere atmosferen, windmolens moeten grotere wieken hebben om zoveel mogelijk wind op te vangen.

Hoewel windmolens er al zijn sinds 800 G.T. of zo, ze verspreidden zich echt in populariteit in het midden van de 19e eeuw. Aangewakkerd door de industriële revolutie in de decennia na 1850, alleen al in de VS werden meer dan 6 miljoen mechanische windmolens geïnstalleerd om pompen en fabrieken aan te drijven en te voorzien in andere energiebehoeften.

Een windmolen genaamd 'De Ooievaar' is nog steeds functioneel bij de Duyvis cacao- en chocoladeverwerkingsfabriek aan de rivier de Zaan, Nederland. Prisma door Dukas/Universal Images Group/Getty Images

Deze populariteit werd gedreven door de eenvoud van windmolens als mechanische energiegeneratoren. Door simpelweg een windmolen met veel wieken op te zetten, je zou snel toegang kunnen krijgen tot een gratis mechanische energiebron. Door het draaien van de messen, die rotatie-energie kan worden gebruikt om machines door middel van tandwielen aan te drijven of om water uit de grond te duwen en te trekken met eenvoudige waterzuigerstangpompen.

Toen windmolens populair werden in de moderne industrie, er werd ook een andere uitvinding ontwikkeld en verfijnd:de generator.

In plaats van alleen een windmolen te kunnen gebruiken als het waaide, een generator zou het mogelijk maken om rotatie-energie op te slaan door deze om te zetten in elektriciteit. Dus, de ontwikkeling van windturbines was de volgende stap in het perfectioneren van apparaten voor het gebruik van windenergie.

Hoe windturbines werken

Om sterkere luchtstromen op te vangen, een windturbine reikt honderden meters hoger in de lucht dan een windmolen. Het gebruikt dezelfde functionele principes als een windmolen - wind omzetten in rotatie-energie - maar wat het vervolgens doet, is anders. Windturbines hebben generatoren in zich, meestal direct verbonden met een draaiende schoepstang. Door de generator te laten draaien, er wordt een elektrische stroom opgewekt die kan worden gebruikt om batterijen op te laden, in het net voeden, of rechtstreeks elektronische apparaten gebruiken. De beste manier om te begrijpen hoe dit werkt, is door een motor te overwegen, maar omgekeerd. Een elektromotor gebruikt elektriciteit om beweging te creëren, terwijl een windturbine beweging gebruikt om elektriciteit te produceren.

Specifieker, de wieken van een windturbine vangen de kinetische energie - energie die wordt opgewekt door beweging - van de wind op en zetten deze om in rotatie-energie. Deze rotatie-energie wordt vervolgens door een reeks tandwielen gevoerd om de snelheid van een generator te verhogen.

Arbeiders staan ​​in een gigantisch windturbineblad tijdens de bouw in de buurt van Mountainair, New Mexico. Bouwfotografie/Avalon/Getty Images

Deze turbines beginnen over het algemeen energie te produceren bij windsnelheden van 5 tot 10 mijl per uur (8 tot 16 kilometer per uur) en worden uitgeschakeld bij hoge snelheden in de buurt van 60 mph (96 km/u), zodat ze niet defect raken of zichzelf beschadigen, volgens de American Wind Energy Association.

Terwijl windturbines elektriciteit produceren, ze zijn technisch niet zo efficiënt als windmolens. Windturbines hebben een maximaal rendement van 59 procent, iets dat bekend staat als de Betz-limiet. Dit komt door het onvermogen om alle energie van de wind te benutten en inefficiënties bij het omzetten van rotatie-energie in mechanische energie.

Van oude technologie tot toekomstige energie

Zelfs met hun inefficiënties, windturbines zijn de wind-intensieve en elektriciteitsopwekkende manier van de toekomst. James zegt dat hij "windturbines ziet als een integraal onderdeel van het verminderen, en eventueel, het elimineren van onze afhankelijkheid van koolstofbrandstoffen. Een typisch windproject betaalt zijn ecologische voetafdruk binnen zes maanden terug, tientallen jaren emissievrije energie leveren. In feite, sommige landen zoals Schotland hebben al genoeg in windenergie geïnvesteerd om genoeg stroom te produceren om twee Schotlanden van brandstof te voorzien!"

in 2018, wind produceerde ongeveer 5 procent van de wereldwijde elektriciteit, waardoor het de op één na grootste hernieuwbare bron is, achter waterkracht. Vanaf het eerste gebruik van de windmolen als mechanische ruggengraat van de vroege Perzische en Chinese beschaving, tot de enorme windturbines van vandaag, de onderliggende technologie is hier om te blijven.

Dat is nu interessant

Windturbines hebben slechts drie bladen om hun impulsmoment constant te houden. Met drie bladen, wanneer men naar boven wijst, de twee die schuin naar beneden wijzen, balanceren de krachten perfect. Als windturbines meer dan drie bladen zouden hebben, zouden ze ofwel onstabiel zijn of te zwaar om efficiënt te zijn.