In de meeste kinderprogramma’s over “windmolens” wordt vaak voor een eenvoudige uitleg gekozen over de techniek achter de windmolen. Zo wordt in een aflevering van School TV de windturbine een dynamo met wieken genoemd. Dit is in feite correct, maar voordat er stroom aan het elektriciteitsnet wordt geleverd gaan en nog een heel aantal stappen aan vooraf in een moderne windturbine.

“De rotor is de motor”

Veelal komt de uitspraak “de rotor is de motor” terug als in de windbranche wordt gesproken over de mogelijkheden voor de opwek van elektriciteit met windturbines. En dit zeker waar! De basisformule voor het bepalen van het vermogen dat wordt geproduceerd bij een bepaalde windsnelheid is: P = ½ ρ C_p A v³

Hierbij worden de volgende grootheden gebruikt:

• P = vermogen dat geproduceerd wordt in MW
• ρ = de luchtdichtheid in kg/m3 (gemiddeld in Nederland 1,23 kg/m3)
• C_p = een efficiëntie constante afhankelijk van de windsnelheid
• A = Het oppervlakte van de rotor in m2
• v = de windsnelheid in m/s

Deze formule stelt het volgende: Je kunt meer vermogen uit de wind halen indien:

1. De lucht “dikker is”; dit klopt natuurkundig inderdaad: hoe groter de massa in beweging hoe meer energie deze bevat ( E = ½ m * v²).

2. De C_p waarde is een speciale constante. Deze stelt de efficiëntie vast van het percentage verplaatsing van de lucht die effectief in een kracht kan worden omgezet. De natuurkundige Betz heeft berekend dat dit maximaal 59,3% van de luchtbeweging is voor een windturbine. Uiteraard is dit ideaal en met enkele conversie en wrijvingsverliezen meegenomen, kan een moderne windturbine op zijn ideale windsnelheid een C_p waarde halen van 52%

3. A is het oppervlak van de rotor (waar dus de lucht zich doorheen verplaatst), waarin een “lift” wordt gegeven aan het blad.

4. De windsnelheid v wordt tot de 3e macht meegenomen in de vergelijking. Deze windsnelheid heeft dus een zeer sterke rol in de opbrengsten van een windturbine. Om bij een lagere windsnelheid hetzelfde vermogen (P) uit de wind te willen halen, moet het oppervlak veel groter worden. Ook nemen de krachten op de constructie tot de 3e macht toe indien de windsnelheid groter wordt. Hiermee wordt de wens van de windbranche om grote rotoren, maar ook hoger te bouwen evident. Een windmolen met een mast die een kwart hoger is kan per jaar met een vergelijkbare molen met een lagere mast op sommige locaties wel 20% meer stroom opwekken.

Ashoogtes (middelpunt van de rotor) tot boven de 150 meter worden hiervoor ontwikkeld. Betontorentechniek (i.p.v. stalen torens) biedt hiervoor een stabiele mogelijkheid en wordt steeds meer toegepast.

Generatorvermogen

Wat opvalt in bovenstaande vergelijking is dat in de hierboven beschreven formule, het generatorvermogen van een windturbine er niet in voor komt. Deze is wel aanwezig, maar versleuteld in de Cp waarde. Deze Cp waarde is voor elke windsnelheid anders (zie afbeelding powercurve windmolen) en daalt nadat het maximaal generatorvermogen is bereikt. Aangezien de generator in de windturbine veelal relatief dure grondstoffen bevat en complexe productieprocessen behoeven, is deze vrij bepalend in het kostenefficiënt ontwerpen van een windturbine. Indien de generator voor onvoldoende uren per jaar op zijn maximum wordt aangesproken is het investeren hierin het veelal niet waard. Concluderend heeft een windturbine op windrijke locatie dus een relatief kleine rotor met grote generator. Een windturbine in het binnenland op een locatie met een gemiddeld lage windsnelheid dus een grote rotor met een relatief kleine generator.

Elektrische conversie

Om van de generator bovenin de turbine een spanning en stroom te vormen die geschikt is voor het elektriciteitsnet wordt in de moderne windturbine een aantal stappen genomen. Waar bij fossiele energie de stoomgenerator (aangedreven op kolen, gas of nucleaire bron) direct aan het elektriciteitsnet is gekoppeld, wordt in de moderne windturbine deze losgekoppeld voor stroom, spanning en frequentie. De moderne windturbine kan bij verschillende windsnelheden en windprofielen energie leveren en heeft hiervoor een direct aangedreven generator op de as. Uit deze generator komt stroom die wisselend is in spanning, stroomsterkte en frequentie en hiermee ongeschikt voor ons elektriciteitsnet. Deze stroom wordt eerst omgezet naar gelijkspanning (accuspanning) en wordt op gelijkstroom vanuit de gondel naar de omvormers beneden getransporteerd. Daar wordt de gelijkstroom weer omgezet in omvormers naar driefasen wisselspanning op 400V en middels een transformator opgehoogd naar 10kV of 20kV voor het regionale middenspanningsnet.

De generator

De natuurwetten van Maxwell omschrijven dat een bewegend magnetisch veld nabij een geleider een stroom opwekt (waarbij de snelheid van de beweging en de sterkte van het veld de hoeveelheid stroom bepalen). Elke generator gaat uit van dit principe. In de moderne direct aangedreven generator in een windturbine is geen tandwielkast aanwezig en is de bewegingssnelheid van de magneten (stator) die bevestigd zijn in de windturbinerotor aan de 3 wieken relatief laag. Hierdoor is een grote ring met sterke magneten benodigd.

Er zijn fabrikanten die hiervoor Permanente Magneten gebruiken met het materiaal Neodymium, dat tot op heden op zeer milieu onverantwoorde wijze wordt gewonnen. Echter dit is niet nodig en een groot deel van de moderne windturbines wordt niet met Permanent Mageneten voorzien, maar met elektromagneten. Hierin wordt het magnetisch veld in een koperwikkeling met ijzerkern opgewekt door de windturbine, zonder gebruik van de grondstof Neodymium. Naast dat dit een veel milieuvriendelijker fabricageproces is, heeft dit als voordeel dat het magnetisch veld over tijd niet degradeert onder invloed van temperatuurschommelingen.

Windmolens nadelig voor stabiliteit van ons elektriciteitsnet?

Met de moderne windturbine technologie en de omvormers in windturbines zijn deze zeker geen last voor het elektriciteitsnet in Nederland of Europa. Hiermee voldoen ze aan de strenge eisen voor het invoeden op hoogspanning die door TenneT worden geëist, identiek aan andere grote elektriciteitscentrales.

Moderne windturbines met direct aangedreven generatoren ondersteunen juist het elektriciteitsnet. Op sommige eilanden, zoals op Bonaire voorzien ze nu al 45-70% van het totale stroomgebruik! Nu nog een overheid die deze moderne techniek breed wil uitrollen in Nederland en de ondersteuning geeft aan burger en bedrijf om deze duurzame, betrouwbare techniek te exploiteren…