Een turbine is een machine die de kinetische energie van een draaiende vloeistof omzet in bruikbare arbeid of energie via een rotorsysteem. Mechanische overbrenging of elektromagnetische inductie zorgt ervoor dat turbines op deze manier energie kunnen genereren. Er zijn verschillende soorten turbines, maar de meest voorkomende zijn horizontale en verticale as windturbines. In dit artikel leert u alles over horizontale as windturbines, hun functies en ook horizontale as windturbinetypen.
Wat is een horizontale-as windturbine?
Het meest voorkomende type windturbine dat tegenwoordig in gebruik is, is de horizontale-aswindturbine (HAWT). HAWT's hebben een rotor met aerodynamische bladen (vleugelprofielen) eraan bevestigd; deze rotor kan in de windrichting of van de windrichting af gericht zijn. Windturbines op grote hoogte hebben doorgaans twee of drie bladen die met een zeer hoge snelheid roteren. Kegelvormige bladen op rotors die met de wind mee draaien, zorgen ervoor dat de turbine zich automatisch in de windrichting kan oriënteren, terwijl rotors die tegen de wind in draaien een gier- of staartvin nodig hebben om de juiste richting te volgen. Het is echter gebleken dat rotors die met de wind mee draaien, bij lage windsnelheden kunnen afwijken van hun koers, wat resulteert in een lagere energieopbrengst bij die snelheden.
HAWT's hebben horizontaal gemonteerde assen die loodrecht op de grond staan. HAWT's kunnen, net als VAWT's, twee of drie bladen hebben. Tot nu toe is de HAWT met drie bladen het meest effectieve ontwerp gebleken, maar de tweebladige rotor en de rotor die naar de wind is gericht, hebben beide enig succes gehad. De turbine van de gondel kan zowel tegen de wind in (aan de voorkant) als tegen de wind in (aan de achterkant) gericht zijn. Er is geen mechanisch oriëntatiesysteem nodig in apparaten met een windrichting naar beneden, omdat ze altijd in de richting van de wind wijzen. Het constante schommelen door windvlagen is het grootste nadeel, omdat het tot meer vermoeidheid leidt. Laten we nu meer leren over windturbinetypen met een horizontale as.
Welke typen horizontale-aswindturbines zijn er?
Horizontale as windturbines hebben een zeer effectief ontwerp en zijn behoorlijk beroemd op de markt. Net als andere windturbines zijn er ook horizontale as windturbine types. De types zijn als volgt-
1. Tegenwindturbine
De rotor van een windturbine die tegen de wind in staat, is bovenop de toren gemonteerd . Het belangrijkste doel van deze turbine is te voorkomen dat de wind een schaduw werpt op de achterkant van de toren. Omdat de turbine stijf is en een stukje van de toren af staat, wordt deze configuratie momenteel in de meeste horizontale windturbines (HAWT's) toegepast.
2. Downwind-turbine
De rotor van een windturbine met de wind mee is aan de voet van de constructie geplaatst . Deze turbine leidt de wind eerst naar de toren en vervolgens naar de rotorbladen. Doordat de rotor zich in de windschaduw van de toren bevindt, ondervindt deze windturbine enige variatie in windvermogen. Deze schommelingen in windvermogen worden veroorzaakt door de positie van de rotor achter de gondel van de toren. Dit zou u moeten hebben geholpen de verschillende typen windturbines met horizontale as te begrijpen.
Lees ook: 2 soorten verticale-as-windturbines
Wat is het werkingsprincipe van een horizontale-as windturbine?
Nadat we de verschillende typen windturbines met horizontale as hebben besproken, gaan we nu ook kijken naar het werkingsprincipe ervan. Windenergie wordt door de rotor omgezet in koppel , dat vervolgens wordt overgebracht naar een langzaam draaiende as. De gondel beschermt de versnellingsbak, de hogesnelheidsas en de generator die de energie van de lagesnelheidsas ontvangen. De bladen zijn bevestigd aan de rotor en de as. Deze as wordt de lagesnelheidsas genoemd omdat het roterende geheel door de wind met een lage snelheid van slechts ongeveer 10 tot 20 omwentelingen per minuut wordt aangedreven.
Om de gewenste uitgangsfrequentie van 60 Hz te bereiken, is de as met lage snelheid verbonden met de versnellingsbak. Deze versnellingsbak is voorzien van een tandwielsysteem dat de uitgangssnelheid van de as verhoogt tot ongeveer 1,800 tpm (of 1,500 tpm bij een frequentie van 50 Hz). Daarom wordt de as die uit de versnellingsbak komt vaak de as met hoge snelheid genoemd. Ten slotte is de as met hoge snelheid gekoppeld aan de generator , die de roterende beweging omzet in wisselstroom. Als deze snelheid wordt gebruikt om de generator direct aan te drijven, is de frequentie van de wisselstroomuitgang precies evenredig met de snelheid waarmee de generator draait.
Direct-drive windturbines gebruiken bijvoorbeeld doorgaans een DC-generator in plaats van een AC-generator en ze hebben geen versnellingsbak. Het is onduidelijk of een AC-naar-DC-omvormer hier deel van uitmaakt (die zich aan de torenbasis kan bevinden). Een programmeerbare logische controller (PLC) of computer wordt gebruikt als controller in industriële turbines. De metingen van de anemometer worden gebruikt door de controller, die vervolgens beslist in welke richting de windturbine moet staan, hoeveel energie deze moet verzamelen en of de turbine mag versnellen bij sterke wind. Dat is het werkingsprincipe van de horizontale as windturbine. Laten we hierna de componenten van de horizontale as windturbine verkennen.
Wat zijn horizontale-as-windturbinecomponenten?
Onderdelen van een horizontale-aswindturbine zijn onder andere een basis, toren, gondel, generator, rotorbladen, naaf, as, tandwielkasten en anemometers.
1. Fundament: De toren en andere onderdelen van een windturbine wegen een aanzienlijk aantal tonnen; daarom moeten ze stevig aan een rotsvast fundament worden bevestigd.
2. Toren: Een hoge constructie die de rotornaaf en de gondel op hun plaats houdt. Deze kunnen gemaakt zijn van stalen vakwerk, beton of stalen buizen. Een belangrijk aspect van het ontwerp van een windturbine met horizontale as is de hoogte van de toren. Door de toren hoger te maken, kunnen de turbines meer windenergie absorberen en meer elektriciteit produceren, omdat de windsnelheid toeneemt met de hoogte. Een hogere toren resulteert meestal in een grotere hoeveelheid opgewekte energie en vermindert tevens de turbulentie in de wind.
3. Rotorbladen: De bladen van een windturbine vangen de kinetische energie van de wind op en zetten deze om in mechanische energie. Deze bladen zijn gemaakt van hout-epoxy of polyester , versterkt met glasvezel. Afhankelijk van het ontwerp kunnen windturbines één, twee, drie of meer bladen hebben. Windturbines met drie bladen hebben de meeste bladen. Deze zijn bevestigd aan de naaf van de rotor. Vroeger werden meerdere bladen gebruikt om water te pompen, voedsel te malen en andere taken uit te voeren.
4. Gondel: De gondel is de behuizing voor de belangrijkste onderdelen van de turbine. De versnellingsbak, de hoge- en lage-snelheidsassen, de generator, de regelaar en de remmen zijn allemaal bovenaan de toren gemonteerd. De gondel is uitgerust met een anemometer om de windsnelheid te meten en een windvaan om de windrichting te bepalen.
5. Naaf: Om een rotorblad met de as van een windturbine te verbinden, is een rotornaaf nodig. De naaf, bouten, bladlagers, het verstelsysteem en interne onderdelen vormen samen de naafconstructie. Voor de productie van rotornaven worden staal, ijzer en gesmeed staal gebruikt, en het lasproces is essentieel. Hier volgen enkele voorbeelden van rotornaven:
6. Assen: De as die de kracht overbrengt naar de aandrijfwielen. Het koppel en de spanning in de holle of massieve stalen constructie van een aandrijfas zijn extreem hoog. Door het gebruik van aandrijfassen kan mechanische energie van de bladnaaf naar de generator worden gestuurd, waardoor deze de roterende beweging kan omzetten in elektrische stroom. Een windturbine heeft doorgaans twee assen.
7. Versnellingsbakken: De uitgaande as van de versnellingsbak is gekoppeld aan de generator om roterende mechanische energie over te brengen. De wet van Faraday over elektromagnetische inductie vormt het onderliggende werkingsprincipe. Het is een apparaat dat elektriciteit opwekt uit mechanische energie. Voor windturbines bestaan er verschillende typen versnellingsbakken: planetaire overbrengingen, spiraalvormige overbrengingen en overbrengingen met wormwielen.
8. Anemometers: De hoeveelheid kinetische energie van de wind is grotendeels afhankelijk van de windsnelheid. De derde macht van de windsnelheid is recht evenredig met de hoeveelheid energie in de wind. Bij het kiezen van een locatie is het cruciaal om rekening te houden met de gemiddelde windsnelheid in het gebied. Een anemometer is een instrument om de snelheid van een windstroom te bepalen. Deze anemometers bevinden zich meestal boven de gondel.
Zie ook: Voordelen en nadelen van getijdenenergie
Waarvoor worden horizontale-as-turbines gebruikt?
Om de stroomopbrengst en energie-efficiëntie te maximaliseren, maken grootschalige windenergiecentrales vaak gebruik van horizontale-as windturbines. Deze windturbines worden doorgaans gezien in
- Productiefaciliteiten
- Enorme windmolenparken
- Door de overheid gesponsorde gebouwen
Hiermee heb je geleerd waarvoor horizontale-as-turbines worden gebruikt. Na dit alles kun je meer te weten komen over de voor- en nadelen van horizontale-as-windturbines.
Wat zijn de voor- en nadelen van horizontale-as windturbines?
Net als bij andere apparaten zijn de voor- en nadelen van horizontale as windturbines ook vrij duidelijk. Laten we hier uitgebreid over leren.
Voordelen van horizontale as windturbines-
1. Machtige Generaties
Afhankelijk van de toepassing kunnen windturbines met horizontale as een vermogen leveren van 2 tot 8 MW. Een windturbine op land met een capaciteit van 2.5 tot 3.0 MW kan jaarlijks ongeveer 6 miljoen kWh opwekken, genoeg om 1,500 doorsnee huishoudens in de EU van stroom te voorzien. Dit is afhankelijk van de grootte van de turbine en de windsnelheid.
2. Voldoende betrouwbaar
Horizontale as windturbines domineren de markt al jaren, dus hun ontwerp en ontwikkeling zijn ver gevorderd. Zowel de bruikbaarheid als het nut van horizontale as windturbines, die al op de markt verkrijgbaar zijn, en hun potentiële toekomstige ontwikkeling worden onderzocht.
3. Uitzonderlijk sterke operationele winden
Windturbines met een horizontale as vangen de wind op met hogere snelheden vanwege de hoogte van de rotors. Dit betekent dat ze waarschijnlijk ook bij hogere windsnelheden zullen functioneren, wat ideaal is voor hun prestaties. De luchtstroom op grote hoogte is meestal constant, waardoor windturbines met een horizontale as een betrouwbaardere bron van hernieuwbare energie vormen.
4. Efficiëntie op een zeer hoog niveau
Het is onmogelijk om energie om te zetten zonder dat er een deel verloren gaat. Een belangrijk aandachtspunt bij de ontwikkeling van nieuwe producten in de windenergiesector is het verhogen van de efficiëntie van de energieomzetting. Op dit moment zijn de meest productieve windturbines die met een horizontale as. Ze zijn efficiënt genoeg om 40-50 procent van de binnenkomende windenergie om te zetten in bruikbare elektriciteit.
Lees ook: Voordelen en nadelen van waterstofenergie
Nadelen van horizontale as windturbines-
1. Moeilijk te verplaatsen, op te zetten en in werkende staat te houden
Omdat windturbines met een horizontale as zo enorm groot zijn , brengen ze aanzienlijke logistieke en technische obstakels met zich mee tijdens transport en installatie. De bladen van windturbines met een horizontale as kunnen wel 70 meter lang en 20 ton zwaar zijn, waardoor het onwaarschijnlijk is dat ze geïnstalleerd kunnen worden op de smalle, bochtige wegen die kenmerkend zijn voor heuvelachtige gebieden, of op gewone straten in steden waar woningen, elektriciteitsleidingen en straatlantaarns langs de kant staan.
2. Schade toebrengen aan het milieu
Er bestaat nog steeds veel discussie en controverse over de impact van windturbines met horizontale as op het milieu . Het gebrul van de enorme bladen die door de lucht snijden, de enorme schaduw die ze werpen en de verstoring die ze veroorzaken voor de omliggende fauna en ecosystemen zijn allemaal redenen tot bezorgdheid.
3. Verandering in het mariene ecosysteem
Windturbines op zee zullen het mariene ecosysteem waarschijnlijk op manieren veranderen die we nog niet begrijpen, terwijl de bladen van windturbines met een horizontale as een risico op botsing met vliegende wezensMeerdere onderzoeken hebben aangetoond dat windturbines niet direct verantwoordelijk zijn voor meer dan één procent van de jaarlijkse vogelsterfte in de Verenigde Staten, veroorzaakt door ongelukken met door de mens gemaakte objecten en praktijken.
4. Strikte vereisten voor installatie
Regelgeving voor de ontwikkeling en installatie van windturbines kan een obstakel vormen, ondanks het feit dat overheden wereldwijd stimuleringsmaatregelen hebben genomen om de revolutie in hernieuwbare energie te bevorderen . Voor een windturbine met horizontale as is de vereiste afstand tot een aangrenzende woning bijvoorbeeld doorgaans vier keer de totale hoogte van de turbine. De gemeente moet een geluidsstudie uitvoeren voordat toestemming wordt gegeven voor de bouw van een windpark. Het is essentieel om zowel rekening te houden met het achtergrondgeluid als met het geluid dat de windturbine zelf zal produceren. Hoewel er vaak een goede vuistregel is, kan het beleid toch verschillen afhankelijk van factoren zoals het politieke, sociale en natuurlijke klimaat.
HAWT's spelen en zullen een grote rol spelen in uw toekomst op basis van hernieuwbare energie. Het is erg belangrijk om alle dingen over dergelijke technologieën te begrijpen, zoals de voor- en nadelen van horizontale as windturbines, horizontale as windturbinetypen, etc. Ze helpen u klaar te zijn voor de toekomst die eraan komt.
Aanbevolen: 5 belangrijke voor- en nadelen van waterkrachtenergie
