Kinetische windgenerator: ontwerp, werkingsprincipe, toepassing

Een moderne kinetische windgenerator maakt het mogelijk de kracht van luchtstromen te benutten en om te zetten in elektriciteit. Daarvoor bestaan zowel fabrieksmatige als zelfgebouwde modellen, die zowel in de industrie als in particuliere huishoudens worden toegepast.

Wij vertellen u hoe windmolens van dit type zijn opgebouwd, en laten u kennismaken met de kenmerken van het ontwerp en de constructievarianten. In het door ons aangeboden artikel worden de zwakke en sterke punten van windenergie-installaties besproken. Doe-het-zelvers vinden hier nuttige schema's en aanbevelingen voor de montage.

Werkingsprincipe van de windgenerator

De werking van een windgenerator berust op de omzetting van de kinetische energie van de wind in mechanische energie van de rotor, die vervolgens in elektriciteit wordt omgezet.

Het principe is vrij eenvoudig: de draaiing van de bladen die aan de as van het apparaat zijn bevestigd, veroorzaakt een roterende beweging van de rotorgenerator, waardoor elektriciteit wordt opgewekt.

Windenergie is een van de meest veelbelovende takken van hernieuwbare energie. Moderne ontwerpen maken het mogelijk de kracht van luchtstromen economisch rendabel te benutten voor de opwekking van elektriciteit

De opgewekte onstabiele wisselstroom 'vloeit' naar de controller, waar deze wordt omgezet in een gelijkspanning die de accu's kan opladen. Daarvandaan gaat de voeding naar de omvormer, waar deze wordt omgezet in een wisselspanning van 220/380 V, die aan de verbruikers wordt geleverd.

Het vermogen van de windgenerator is rechtstreeks afhankelijk van het vermogen van de luchtstroom (N) en wordt berekend met de formule N=pSV³/2, waarbij V de windsnelheid is, S het werkzame oppervlak en p de luchtdichtheid.

Ontwerp van de windgenerator

De verschillende uitvoeringen van windgeneratoren verschillen aanzienlijk van elkaar.

Op de weergegeven schema is de inwendige constructie van een klassieke horizontale windgenerator afgebeeld. Dergelijke modellen worden het meest toegepast, zowel industrieel als huishoudelijk.

Industriële apparaten zijn complexe, metershoge constructies waarvoor een fundering nodig is, terwijl een huishoudelijk model kan bestaan uit een minimum aan componenten (gelijkstroommotor 3-12 V, elektrolytische condensator 1000 µF 6 V, silicium gelijkrichtdiode).

Een typische installatie omvat de volgende onderdelen:

• wisselstroomgenerator (het vermogen hangt af van de windsnelheid);
• rotorbladen die de rotatie overbrengen naar de generatoras (vaak zijn ze uitgerust met tandwielkasten, snelheidsstabilisatoren voor de rotor);
• de mast van de windturbine, waaraan de bladen zijn bevestigd (hoe hoger deze elementen zich bevinden, des te meer windenergie ze kunnen opvangen);
• accu's die energie opslaan, zodat deze kan worden gebruikt bij zwakke wind of volledige windstilte. De accu zorgt ook voor stabilisatie van de elektrische energie die van de generator komt;
• regelaar – een omzetter die de van de generator afkomstige wisselspanning omzet in gelijkspanning, die wordt gebruikt voor het laden van de accu. De aansturing van de regelaar geschiedt door verdraaiing van de bladen, waardoor de richting van de luchtstromen kan worden gevolgd;
• ATS (automatische omschakelinrichting) – een apparaat dat de windgenerator verbindt met andere energiebronnen (zonnepanelen, het elektriciteitsnet);
• windrichtingsensor – een instrument dat de bladen helpt de windstroom te vinden;
• omvormer voor het omzetten van gelijkstroom uit de accu's in wisselspanning, die wordt gebruikt in elektrische installaties.

Voor een betere invulling van de gebruikersbehoeften kan het apparaat worden uitgerust met verschillende typen omvormers:

• apparaten met een gemodificeerde sinusomvormer die een blokgolf produceert. Deze apparaten zijn geschikt voor verwarmingselementen, gloeilampen en andere apparaten die niet kritisch zijn voor de netkwaliteit;
• driefasige spanningsomvormers, bestemd voor driefasige elektriciteitsnetten;
• installaties met een zuivere sinusgolf, die energie leveren voor gevoeligere apparatuur;
• netgekoppelde omvormers die zonder accu's kunnen werken. Dergelijke apparaten zijn bedoeld voor systemen waarbij de elektrische energie direct aan het openbare net wordt geleverd.

Bij de keuze van modellen moet men beslist letten op het type omvormer.

Typen windgeneratoren

Bij het classificeren van windturbines kunnen de volgende kenmerken in aanmerking worden genomen:

• toepassing;
• constructieve kenmerken;
• aantal bladen;
• materialen waarvan ze zijn gemaakt;
• rotatieas;
• spoed van de schroef.

We bespreken nu in detail de twee meest gebruikte classificaties.

Classificatie van windgeneratoren naar toepassing

Men onderscheidt verschillende soorten windenergie-installaties met uiteenlopende toepassingen. Hieruit vloeien ook de belangrijkste eigenschappen van de apparaten voort, zoals het vermogen.

Industriële windturbines

Zulke apparaten worden geïnstalleerd door grote energiebedrijven of de overheid om industriële objecten van elektriciteit te voorzien. Turbines met een vermogen van tientallen megawatts worden gewoonlijk geplaatst op windrijke locaties (open hoogten, kustgebieden).

Windparken waar tientallen windturbines worden geplaatst, worden niet alleen op het land aangelegd, maar ook in ondiep water. De verkregen elektriciteit wordt meestal gebruikt voor industriële doeleinden.

De opgewekte elektriciteit gaat gewoonlijk direct naar het net, terwijl de windturbines voor stabiliteit en regeling van de rotatiesnelheid van de bladen worden uitgerust met extra mechanismen.

Commerciële windgeneratoren

Zulke installaties worden gebruikt om elektriciteit op te wekken voor de verkoop of om productiebedrijven van stroom te voorzien in regio's met een zwak elektriciteitsnet (of met volledige afwezigheid ervan). Dergelijke windparken bestaan uit een verzameling elektrische generatoren die een verschillend vermogen kunnen hebben.

De energie van commerciële installaties kan rechtstreeks naar de elektrische infrastructuur gaan of worden gebruikt voor het opladen van een groot aantal batterijen, waar het wordt opgeslagen en omgezet voor levering aan het energiesysteem.

Huishoudelijke windturbines

Aggregaten met laag vermogen worden gebruikt voor particulier gebruik. Volgens de regels mogen windturbines met masten van minder dan 25 meter hoog door eigenaren van percelen worden geïnstalleerd zonder overleg met de autoriteiten, voor hogere masten is een speciale vergunning vereist.

Windturbines met laag en gemiddeld vermogen kunnen dienen als bron van elektrische energie voor cottages, datsja's, buitenhuizen en boerderijen.

Huishoudelijke windgeneratoren zijn geschikt voor het opladen van accu's met een spanning van 12/24/48 V, waarvan de energie wordt omgezet naar 220 Volt. Dergelijke apparaten maken het mogelijk om het probleem van de elektriciteitsvoorziening voor kleine objecten die ver verwijderd zijn van het gecentraliseerde elektriciteitsnet volledig of gedeeltelijk op te lossen.

Met de richtlijnen voor het kiezen van een windturbine voor de energievoorziening van een particulier huis maakt het artikel u bekend, dat aan deze interessante kwestie is gewijd.

Constructievarianten van windmolens

Op basis van constructieve kenmerken kunnen de apparaten ook in een aantal categorieën worden onderverdeeld, hoewel alle varianten terug te voeren zijn op twee basistypen: verticale en horizontale.

Klassieke horizontale windgeneratoren

Dergelijke installaties (ook wel propeller- of schoepvormig genoemd) hebben gewoonlijk 3-5 bladen die op een horizontale as zijn gemonteerd. Door met hoge snelheid te draaien, kunnen dergelijke elementen een maximale hoeveelheid energie opleveren (KIEV tot 0.4).

Daarbij hangt de hoeveelheid opgewekte elektriciteit grotendeels af van de hoogte van het apparaat (hoe hoger, hoe groter het resultaat).

Een horizontale windturbine maakt gebruik van de liftkracht die ontstaat bij toenemende druk op het punt waar de directe luchtstroom door de bladen gaat en ervan weerkaatst.

Dergelijke apparaten worden doorgaans in windparken geplaatst, waar energie wordt opgewekt voor industriële en commerciële toepassingen, maar zij zijn ook geschikt voor huishoudelijk gebruik.

Een interessante oplossing voor een horizontale windmolen is het model met één blad. De volgende fotoreeks maakt u vertrouwd met de specifieke kenmerken:

Verticale windturbines

Het actieve element van dergelijke installaties is een roterend windrad. Vanwege de constructieve eigenschappen verschillen dergelijke constructies per type ('Ton', 'Savonius').

Met het principe van de inrichting van de turbine van de verticale Savonius-generator maakt u kennis via de volgende fotoreeks:

Ondanks de lage KIEV-waarde (0,1–0,2) worden ze vrij veel toegepast: verticale installaties werken op turbulente luchtstromen, waardoor ze zelfs kunnen worden geplaatst in gebieden waar zelden sterke wind waait.

De werking van verticale windgeneratoren is onafhankelijk van de windrichting. Ze zijn eenvoudig te monteren en te onderhouden, en bovendien kunnen dergelijke apparaten dicht bij de grond worden geplaatst.

Om de efficiëntie van verticale windturbines te verhogen, vergroten fabrikanten vaak hun afmetingen, wat leidt tot een aanzienlijke kostenstijging. Aangezien dergelijke installaties tamelijk kwetsbaar zijn, hebben ze extra bescherming nodig tegen orkanen en andere natuurverschijnselen.

Windgeneratoren 'Darrieus-rotor'

Dergelijke apparaten behoren tot de categorie verticale windturbines, maar hebben duidelijke constructieve verschillen. Dankzij deze kenmerken wordt een geluidsreductie bereikt en stijgt tevens de KIEV, die de waarden van horizontale modellen benadert.

De in 1931 door de Franse vliegtuigbouwer Georges Darrieus voorgestelde lagedrukturbine met een rotatieas loodrecht op de luchtomgeving, heeft brede toepassing gevonden in de windenergie.

Een nadeel van dergelijke constructies is het lage startkoppel (vanwege slechts twee bladen is het voor het apparaat moeilijk om zelfstandig te starten). Om het probleem op te lossen wordt vaak een hybride 'Savonius+Darrieus' toegepast.

Zeilwindinstallaties

Voor dergelijke installaties kan het principe van zowel een verticale als een horizontale windturbine worden toegepast. Het belangrijkste constructieve kenmerk is een windrad dat is bedekt met meerdere bladen of zeilen, waarbij een aerodynamisch profiel bij dergelijke modellen ontbreekt.

Er bestaan talloze modellen van zeilwindturbines, die verschillen in aantal bladen, gewicht en vermogen. Met al deze parameters dient u rekening te houden bij het kiezen van een apparaat.

Ondanks het feit dat zeilinstallaties traag en weinig efficiënt zijn, worden ze vaak toegepast in de volkshuishouding. Dergelijke constructies zijn eenvoudig te monteren en te bedienen, en de combinatie van een hoog koppel met lage toerentallen maakt het mogelijk om direct verschillende nuttige mechanismen aan te drijven, zoals een pomp voor het oppompen van water.

Een van de in de praktijk gerealiseerde modellen van zeilwindturbines wordt getoond in de volgende galerij:

Generator voor de windturbine

Voor het functioneren van windturbines zijn gewone driefasige generatoren nodig. De constructie van dergelijke apparaten is vergelijkbaar met modellen die in auto's worden gebruikt, maar heeft grotere parameters.

In de apparaten voor windturbines is een driefasige statorwikkeling voorzien (ster-schakeling), waaruit drie draden komen die naar de controller gaan, waar de omvorming van wisselspanning naar gelijkspanning plaatsvindt.

De rotor van de generator voor de windturbine wordt vervaardigd met neodymiummagneten: in dergelijke constructies is het niet zinvol om elektrische bekrachtiging te gebruiken, omdat de spoel veel energie verbruikt.

Om het toerental te verhogen wordt vaak een vermenigvuldiger gebruikt. Deze voorziening maakt het mogelijk om het vermogen van de bestaande generator te vergroten of een kleiner apparaat te gebruiken, wat de kosten van de installatie verlaagt.

Vermenigvuldigers worden vaker toegepast in verticale windturbines, waarbij de rotatie van het windrad langzamer verloopt. Voor horizontale apparaten met een hoge rotatiesnelheid van de bladen zijn vermenigvuldigers niet nodig, wat de constructie vereenvoudigt en goedkoper maakt.

De specifieke aspecten van de montage en installatie van een windturbine van een wasmachine en een windinstallatie van een auto-generator worden in detail beschreven in de door ons aanbevolen artikelen.

Voor- en nadelen van de windgenerator

Laten we de voor- en nadelen van windturbines in detail bekijken, omdat juist deze factoren bepalen of u besluit een windturbine aan te schaffen of ervan af te zien.

Voordelen van windenergie-installaties

Tot de voordelen van apparaten die windenergie gebruiken, behoren:

• Milieuvriendelijkheid. De installaties maken gebruik van een hernieuwbare energiebron die permanent kan worden gebruikt zonder schade aan het milieu toe te brengen. De elektriciteit die door windturbines wordt opgewekt, vervangt de energie van thermische centrales en vermindert de uitstoot van broeikasgassen.
• Universaliteit. Windenergiecentrales kunnen vrijwel overal worden gebouwd: op vlaktes, in bergen, op velden, op eilanden en zelfs in ondiep water. Windenergie wordt vooral gewaardeerd in afgelegen gebieden waar het moeilijk is om conventionele elektrische verbindingen aan te leggen. Windturbines maken het in dat geval mogelijk om de energievoorziening van objecten te realiseren, waardoor deze onafhankelijk wordt van toevallige factoren (zoals niet op tijd geleverde brandstof).
• Gebruiksefficiëntie. Moderne modellen verwerken zelfs de energie van zwakke wind – de minimale grens is 3,5 m/s. Op deze manier kan extra elektriciteit worden geleverd aan het centrale net, en kan de elektriciteitsvoorziening van individuele objecten (eiland- of lokaal) worden georganiseerd, ongeacht hun vermogen.
• Een waardig alternatief voor traditionele bronnen. Vaste windenergiecentrales kunnen een woonhuis of zelfs een klein productieobject volledig van elektriciteit voorzien. In dat geval zal de turbine de benodigde hoeveelheid elektriciteit in accu's opslaan, bedoeld voor gebruik tijdens windstille periodes.
• Kostenefficiëntie. In vergelijking met traditionele bronnen van elektrische energie (gas, turf, steenkool, olie) kunnen windturbines de energiekosten aanzienlijk verlagen. In veel gevallen is de bouw van een windenergiecentrale goedkoper dan aansluiting op bestaande energiesystemen.

Het gebruik van windmolens kan een alternatief zijn voor het gebruik van dure dieselgeneratoren, waarbij de kosten voor transport en opslag van brandstof tot 80% extra worden verlaagd.

Het gemiddelde vermogen van een windturbine wijkt aanzienlijk af van de piekbelasting. Een windgenerator is alleen verantwoordelijk voor de hoeveelheid energie die gedurende een bepaalde periode wordt opgewekt bij de gemiddelde maandelijkse windsnelheid die kenmerkend is voor een bepaald gebied.

Voor een nauwkeurigere beoordeling van windbronnen kan men gebruikmaken van speciaal afgeleide gegevens (Weibull-parameters). Deze indicatoren weerspiegelen de voor een specifiek gebied kenmerkende verdeling van winden van verschillende sterkten. Het is belangrijk om dergelijke informatie in overweging te nemen bij de ontwikkeling van projecten voor windparken, waarvan het vermogen tientallen MW bedraagt.

Het door een windturbine opgewekte vermogen is evenredig met de derde macht van de windsnelheid. Bijgevolg is deze indicator zeer klein bij zwakke windstromen, maar neemt bij versterking ervan –  scherp toe. Vanwege de veranderlijkheid van de windrichting en -snelheid moeten bij de constructie van een windturbine stabiliserende componenten worden voorzien.

De regels en formules voor het berekenen van het vermogen van een windturbine zijn hier weergegeven, wij raden u aan kennis te nemen van deze zeer nuttige informatie.

In kleine autonome systemen vervullen batterijen deze functie; de lading begint te stijgen zodra het vermogen van de windturbine de belasting overschrijdt.

Bij een toenemende belasting kan de batterij ontladen. Het is belangrijk met deze werkeigenschap rekening te houden bij de keuze van een huishoudelijk apparaat; het vermogen moet overeenkomen met het maandelijkse of jaarlijkse elektriciteitsverbruik.

Het valt op te merken dat de diversiteit aan ontwerpen van windturbines bijdraagt aan een effectief gebruik van windstromen.

Horizontale turbines leveren hoge prestaties op vlakke plaatsen waar veel wind is, terwijl verticale turbines beter werken in gebieden met turbulente stromingen die laag bij de grond voorkomen (bovenop heuvels, bergkammen).

Belangrijkste nadelen van windmolens

Tegelijkertijd hebben windturbines ook hun negatieve kanten:

• De windkracht is moeilijk vooraf te voorspellen, omdat deze vaak verandert. Daarom is het wenselijk om een back-up te overwegen door een dubbele energiebron te voorzien (zonnepanelen, aansluiting op het elektriciteitsnet).
• Verticale apparaten lopen het risico dat de rotorbladen worden vernietigd door de middelpuntvliedende krachten bij het draaien van de bladen rond de hoofdas. Als gevolg van dit effect kunnen belangrijke onderdelen na verloop van tijd vervormen en kapotgaan, en raakt het mechanisme defect.
• Windturbines kunt u beter op een open ruimte installeren, omdat nabijgelegen gebouwen de wind kunnen dempen en een 'dode' luchtzone kunnen creëren.
• Om overtollige energie van windturbines op te slaan, moet in het ontwerp het gebruik van accu's en andere extra apparaten worden voorzien die dienen om de opgewekte elektriciteit om te zetten in stroom met geschikte consumenteneigenschappen.
• Tijdens het gebruik maken windgeneratoren lawaai, dat ongemak kan veroorzaken bij mensen en dieren kan afschrikken. De bladen van de installaties kunnen ook de dood veroorzaken van vogels die er dichtbij komen.
• Volgens sommige deskundigen kunnen windturbines de ontvangst van radio- en televisiesignalen verslechteren.

Tot de negatieve punten kan ook de vrij hoge kosten van dergelijke apparaten worden gerekend, maar de goedkoopheid van de energiebron compenseert deze factor grotendeels.

Schema's en aansluitmethoden

Hoewel een windinstallatie autonoom kan werken, kan een aanzienlijk beter resultaat worden bereikt met gecombineerde schema's die een combinatie van een windapparaat met zonnepanelen, een centraal elektriciteitsnet, diesel- of gasbronnen mogelijk maken.

Autonome werking. In dit geval wordt een enkele installatie geplaatst waarmee windenergie wordt opgevangen en opgeslagen, die vervolgens wordt omgezet in de voor consumenten benodigde elektrische stroom.

In het schema wordt de eenvoudigste manier van gebruik van een windturbine getoond, die het beste kan worden toegepast in regio's waar voortdurend sterke wind waait.

Combinatie van een windturbine met zonnepanelen. De gecombineerde optie wordt beschouwd als een betrouwbare en efficiënte manier van stroomvoorziening. Bij afwezigheid van wind werkt de accu op zonnepanelen, en bij bewolkt weer en gedurende de nacht vindt het opladen plaats via de windinstallatie.

Ideale optie voor een particulier huis of boerderij, gelegen ver van het centrale elektriciteitsnet. Zo'n gecombineerd schema maakt het mogelijk om twee soorten hernieuwbare energie te gebruiken.

Gecombineerde werking van windturbine en elektriciteitsnet. De windturbine kan worden gecombineerd met elektrische voorzieningen.

Een dergelijk schema is typisch voor industriële en commerciële apparaten. Ook sommige modellen van huishoudelijke windturbines voorzien in aansluiting op elektrische voorzieningen.

Bij een overschot aan opgewekte elektriciteit wordt deze aan het centrale net geleverd, en bij een tekort is het mogelijk om gebruik te maken van elektriciteit uit het algemene energiesysteem.

Bijzonderheden bij het gebruik van windgeneratoren

Tegenwoordig worden windturbines gebruikt in verschillende sectoren van de nationale economie. Industriële modellen van verschillende vermogens worden gebruikt door olie- en gasbedrijven, telecommunicatiebedrijven, boor- en exploratiestations, productiefaciliteiten en overheidsinstellingen.

De windturbine kan worden gebruikt als extra energiebron in ziekenhuizen en andere instellingen om een continue stroomtoevoer te garanderen in noodsituaties.

Het is vooral belangrijk om het belang te benadrukken van het gebruik van windinstallaties voor het snel herstellen van verstoorde elektriciteit bij rampen en natuurrampen. Voor dit doel worden windturbines vaak gebruikt door eenheden van de MCHS.

Huishoudelijke windturbines zijn uitstekend geschikt voor het organiseren van verlichting en verwarming van cottagedorpen en particuliere huizen, alsook voor huishoudelijke doeleinden op boerderijen.

Hierbij dient u rekening te houden met een aantal punten:

• Apparaten tot 1 kW kunnen alleen in winderige gebieden voldoende elektriciteit leveren. Meestal is de door hen opgewekte energie alleen voldoende voor LED-verlichting en het voeden van kleine elektronische apparaten.
• Om een datsja (buitenhuis) volledig van elektriciteit te voorzien, hebt u een windgenerator met een vermogen van meer dan 1 kW nodig. Dit niveau is voldoende voor verlichting, evenals een computer en tv, maar het vermogen is niet genoeg om een moderne koelkast die continu draait van stroom te voorzien.
• Voor het voorzien van een huis van energie hebt u een windturbine met een vermogen van 3-5 kW nodig, maar zelfs dit niveau is niet voldoende voor het verwarmen van huizen. Om deze functie te kunnen gebruiken, is een krachtige versie vanaf 10 kW nodig.

Bij het kiezen van een model dient u er rekening mee te houden dat het vermogen dat op het apparaat wordt aangegeven alleen bij maximale windsnelheid wordt bereikt. Zo zal een installatie van 300 W de aangegeven hoeveelheid energie alleen produceren bij luchtsnelheden van 10-12 m/s.

Voor degenen die een windturbine met eigen handen willen bouwen, bieden wij het volgende artikel aan, waarin gedetailleerd nuttige informatie wordt gegeven.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

In de onderstaande video wordt gedetailleerde informatie gegeven over het werkingsprincipe en de constructie van een huishoudelijk model van een windgenerator:

Een windgenerator is een uitstekende bron van elektrische energie, die vooral door bewoners van afgelegen gebieden wordt gewaardeerd. Diverse Russische en buitenlandse bedrijven bieden een groot assortiment windturbineconstructies aan; bovendien kunnen huishoudelijke modellen met de eigen handen worden gemaakt.

Schrijf alstublieft reacties in het onderstaande blok. Vertel hoe u een windgenerator op uw terrein heeft gebouwd, of hoe een windturbine bij uw buren werkt. Stel vragen, deel nuttige informatie en foto's over het onderwerp.