Free Press

Achtergrond

Een windturbine is een machine die de kinetische energie van de wind omzet in roterende mechanische energie, die vervolgens wordt gebruikt om arbeid te verrichten. In meer geavanceerde modellen wordt de rotatie-energie omgezet in elektriciteit, de meest veelzijdige vorm van energie, met behulp van een generator.

Al duizenden jaren gebruiken mensen windmolens om water op te pompen of graan te malen. Tot in de twintigste eeuw werden in Amerikaanse huizen en op ranches hoge, slanke windturbines met meerdere wieken, geheel van metaal, gebruikt om water in het sanitair systeem van het huis of in de drinkbak van het vee te pompen. Na de Eerste Wereldoorlog werd begonnen met de ontwikkeling van windturbines die elektriciteit konden produceren. Marcellus Jacobs vond in 1927 een prototype uit dat stroom kon leveren voor een radio en een paar lampen, maar verder weinig. Toen later de vraag naar elektriciteit toenam, raakten Jacobs’ kleine, ontoereikende windturbines buiten gebruik.

De eerste grootschalige windturbine die in de Verenigde Staten werd gebouwd, werd in 1934 bedacht door Palmer Cosslett Putnam; hij voltooide hem in 1941. De machine was enorm. De toren was 33,5 meter hoog en de twee roestvrijstalen bladen hadden een diameter van 53 meter. Putnam’s windturbine kon 1.250 kilowatt elektriciteit produceren, of genoeg om in de behoeften van een kleine stad te voorzien. Hij werd echter in 1945 verlaten wegens mechanische storing.

Met het olie-embargo van de jaren 1970 begonnen de Verenigde Staten opnieuw na te denken over de haalbaarheid van goedkope elektriciteitsproductie met windturbines. In 1975 was het prototype Mod-O in bedrijf. Dit was een turbine van 100 kilowatt met twee wieken van 19 meter (21-yard). Er volgden meer prototypes (Mod-OA, Mod-1, Mod-2, enz.), elk groter en krachtiger dan het vorige. Momenteel streeft het Ministerie van Energie van de Verenigde Staten naar meer dan 3.200 kilowatt per machine.

Er bestaan veel verschillende modellen windturbines, waarvan het meest opvallende de Darrieus met verticale as is, die de vorm heeft van een eierklopper. Het model dat het meest door commerciële fabrikanten wordt gesteund, is echter een horizontaal-assige turbine, met een vermogen van ongeveer 100 kilowatt en drie bladen van niet meer dan 33 yards (30 meter) lengte. Windturbines met drie wieken draaien soepeler en zijn gemakkelijker in evenwicht te houden dan die met twee wieken. Hoewel grotere windturbines meer energie produceren, hebben kleinere modellen minder kans op grote mechanische storingen en zijn ze dus zuiniger in het onderhoud.

Overal in de Verenigde Staten zijn windmolenparken verrezen, met name in Californië. Windmolenparken zijn enorme arrays van windturbines in gebieden met gunstige windproductie. Het grote aantal onderling gekoppelde windturbines is nodig om voldoende elektriciteit te produceren om in de behoeften van een aanzienlijke bevolking te voorzien. Momenteel produceren 17.000 windturbines op windmolenparken van verschillende windenergiebedrijven jaarlijks 3,7 miljard kilowattuur elektriciteit, genoeg om te voorzien in de energiebehoefte van 500.000 huishoudens.

Grondstoffen

Een windturbine bestaat uit drie basisonderdelen: de toren, de gondel, en de rotorbladen. De toren is ofwel een stalen vakwerk toren vergelijkbaar met elektrische torens of een stalen buis toren met een binnen ladder naar de gondel.

De eerste stap bij de bouw van een windturbine is het oprichten van de toren. Hoewel de stalen onderdelen van de toren ter plaatse in een fabriek worden vervaardigd, worden zij gewoonlijk ter plaatse geassembleerd. De onderdelen worden met bouten aan elkaar bevestigd vóór de bouw, en de toren wordt horizontaal gehouden tot de plaatsing. Een kraan hijst de toren in positie, alle bouten worden aangedraaid, en de stabiliteit wordt getest na voltooiing.
Daarna wordt de gondel van glasvezel geïnstalleerd. Zijn binnenwerk – hoofdaandrijvingsas, versnellingsbak, en bladhelling en gieringscontrole – wordt geassembleerd en op een basisframe in een fabriek gemonteerd. De gondel wordt dan met bouten rond de apparatuur vastgezet. Op de site, de gondel wordt gehesen op de voltooide toren en vastgebout op zijn plaats.

De meeste torens hebben geen gieken, dat zijn kabels die worden gebruikt voor ondersteuning, en de meeste zijn gemaakt van staal dat is gecoat met een zinklegering ter bescherming, hoewel sommige in plaats daarvan zijn geverfd. De toren van een typische turbine van Amerikaanse makelij is ongeveer 80 voet hoog en weegt ongeveer 19.000 pond.

De gondel is een sterk, hol omhulsel dat het binnenwerk van de windturbine bevat. Meestal gemaakt van glasvezel, bevat de gondel de hoofdaandrijfas en de versnellingsbak. De gondel bevat ook de bladspoedregeling, een hydraulisch systeem dat de hoek van de bladen regelt, en de gieraandrijving, die de positie van de turbine ten opzichte van de wind regelt. De generator en de elektronische besturing zijn standaarduitrusting waarvan de belangrijkste onderdelen van staal en koper zijn. Een typische gondel voor een huidige turbine weegt ongeveer 22.000 pond.

Het meest diverse gebruik van materialen en het meest experimenteren met nieuwe materialen vindt plaats bij de bladen. Hoewel het meest dominante materiaal dat voor de bladen in commerciële windturbines wordt gebruikt glasvezel met een holle kern is, zijn er ook andere materialen in gebruik zoals lichtgewicht hout en aluminium. Houten bladen zijn massief, maar de meeste bladen bestaan uit een huid rond een kern die hol is of gevuld met een lichtgewicht substantie zoals plastic schuim of honingraat, of balsahout. Een typisch fiberglas blad is ongeveer 15 meter lang en weegt ongeveer 2.500 pond.

Windturbines omvatten ook een elektriciteitskast, die de windenergie omzet in elektriciteit en die zich aan de voet van de toren bevindt. Verschillende kabels verbinden de elektriciteitskast met de gondel, terwijl andere de hele turbine verbinden met nabijgelegen turbines en met een transformator.

Het fabricageproces

Voordat aan de bouw van individuele windturbines kan worden gedacht, moeten de fabrikanten een geschikt gebied bepalen voor de vestiging van windmolenparken. De wind moet constant zijn, en de snelheid moet regelmatig meer dan 25 km per uur zijn. Als de winden in bepaalde seizoenen sterker zijn, wordt er de voorkeur aan gegeven ze het sterkst te laten zijn tijdens perioden van maximaal elektriciteitsverbruik. In de Altamont Pass in Californië bijvoorbeeld, waar zich het grootste windmolenpark ter wereld bevindt, piekt de windsnelheid in de zomer wanneer de vraag groot is. In sommige gebieden van New England waar windparken worden overwogen, is de wind het sterkst in de winter, wanneer de behoefte aan

De gondel is een sterk, hol omhulsel dat het binnenwerk van de windturbine bevat, zoals de hoofdaandrijfas en de tandwielkast. Zij bevat ook de bladspoedregeling, een hydraulisch systeem dat de hoek van de bladen regelt, en de gieraandrijving, die de positie van de turbine ten opzichte van de wind regelt. Een typische gondel voor een huidige turbine weegt ongeveer 22.000 pond.

Door de verwarming neemt het verbruik van elektrische energie toe. Windmolenparken werken het best in open gebieden van licht glooiend land, omgeven door bergen. Deze gebieden hebben de voorkeur omdat de windturbines op bergkammen kunnen worden geplaatst en niet worden geblokkeerd door bomen en gebouwen, en de bergen concentreren de luchtstroom, waardoor een natuurlijke windtunnel van sterkere, snellere winden ontstaat. Windparken moeten ook in de buurt van nutsleidingen worden geplaatst om de overdracht van de elektriciteit naar de plaatselijke elektriciteitscentrale te vergemakkelijken.

Voorbereiding van de locatie

• 1 Overal waar een windmolenpark wordt gebouwd, worden de wegen afgesneden om plaats te maken voor het vervoer van de onderdelen. Op elke plaats waar een windturbine wordt gebouwd, wordt het land genivelleerd en het pad geëgaliseerd. Vervolgens wordt een betonnen fundering in de grond gelegd, gevolgd door de installatie van de ondergrondse kabels. Deze kabels verbinden de windturbines in serie met elkaar, en verbinden ze ook allemaal met het controlecentrum op afstand, waar het windpark wordt bewaakt en de elektriciteit naar het elektriciteitsbedrijf wordt gestuurd.

Opbouwen van de toren

• 2 Hoewel de stalen onderdelen van de toren ter plaatse in een fabriek worden vervaardigd, worden ze gewoonlijk ter plaatse in elkaar gezet. De onderdelen worden voor de bouw met bouten aan elkaar bevestigd en de toren wordt horizontaal gehouden tot de plaatsing. Een kraan hijst de toren in positie, alle bouten worden vastgedraaid, en de stabiliteit wordt getest na voltooiing.

Gondel

• 3 De glasvezelgondel wordt, evenals de toren, ter plaatse in een fabriek vervaardigd. In tegenstelling tot de toren, echter, wordt hij ook in de fabriek in elkaar gezet. Zijn binnenwerk – hoofdaandrijvingsas, versnellingsbak, en bladhellings en gieringscontrole – wordt geassembleerd en dan gemonteerd op een basisframe. De gondel wordt vervolgens met bouten vastgezet
  

  De elektriciteitskast voor elke windturbine en het elektrisch communicatiesysteem voor het windmolenpark worden tegelijk met de plaatsing van de gondel en de bladen geïnstalleerd. Kabels lopen van de gondel naar de elektriciteitskast en van de elektriciteitskast naar het afstandsbedieningscentrum.

  rond de apparatuur. Op de bouwplaats wordt de gondel op de voltooide toren gehesen en met bouten vastgezet.

Roterende bladen

• 4 Aluminium bladen worden gemaakt door platen aluminium aan elkaar te bouten, terwijl houten bladen worden gesneden om een aërodynamische propeller te vormen die qua doorsnede lijkt op een vliegtuigvleugel.
• 5 Verreweg de meeste bladen zijn echter van glasvezel gemaakt. De vervaardiging van glasvezel is een nauwgezette operatie. Eerst wordt een mal gemaakt die uit twee helften bestaat, zoals een mosselschelp, maar die de vorm van een blad heeft. Vervolgens wordt een composietmengsel van glasvezel en hars aangebracht op de binnenvlakken van de mal, die vervolgens wordt gesloten. Het glasvezelmengsel moet dan enkele uren drogen; terwijl dit gebeurt, helpt een met lucht gevulde blaas in de mal het blad zijn vorm te behouden. Nadat de glasvezel is gedroogd, wordt de mal geopend en de blaas verwijderd. De eindvoorbereiding van het blad omvat schoonmaken, schuren, verzegelen van de twee helften, en schilderen.
• 6 De bladen worden gewoonlijk met bouten op de gondel vastgezet nadat deze op de toren is geplaatst. Omdat de montage gemakkelijker op de grond kan worden uitgevoerd, worden bij een drietandig blad soms twee bladen op de gondel geschroefd voordat deze wordt opgehesen, en wordt het derde blad erop geschroefd nadat de gondel op zijn plaats is.

Installatie van regelsystemen

• 7 De elektriciteitskast voor elke windturbine en het elektrisch communicatiesysteem voor het windmolenpark worden gelijktijdig met de plaatsing van de gondel en de bladen geïnstalleerd. De kabels lopen van de gondel naar de elektriciteitskast en van de elektriciteitskast naar de centrale voor afstandsbediening.

Kwaliteitscontrole

In tegenstelling tot de meeste fabricageprocessen heeft de productie van windturbines zeer weinig te maken met kwaliteitscontrole. Omdat de massaproductie van windturbines vrij nieuw is, zijn er nog geen normen vastgesteld. Op dit gebied worden nu inspanningen gedaan, zowel van de kant van de overheid als van de fabrikanten.

Hoewel er op wordt gerekend dat windturbines 90 procent van de tijd werken, worden er nog steeds veel constructiefouten aangetroffen, met name bij de wieken. Scheuren verschijnen soms snel na de fabricage. Mechanische storingen als gevolg van uitlijnings- en montagefouten komen vaak voor. Elektrische sensoren gaan vaak stuk door stroompieken. Niet-hydraulische remmen zijn over het algemeen betrouwbaar, maar hydraulische remsystemen veroorzaken vaak problemen. Er worden plannen ontwikkeld om bestaande technologie te gebruiken om deze moeilijkheden op te lossen.

Voor windturbines gelden regelmatige onderhoudsschema’s om uitval tot een minimum te beperken. Om de drie maanden worden zij geïnspecteerd, en om de zes maanden is een grote onderhoudscontrole gepland. Dit omvat meestal het smeren van de bewegende delen en het controleren van het oliepeil in de tandwielkast. Het is ook mogelijk dat een arbeider het elektrisch systeem ter plaatse test en eventuele problemen met de generator of de aansluitingen noteert.

Voordelen en nadelen voor het milieu

Een windturbine die elektriciteit opwekt uit onuitputtelijke winden creëert geen vervuiling. Ter vergelijking: steenkool, aardolie en aardgas produceren één tot twee pond kooldioxide (een emissie die bijdraagt tot het broeikaseffect en de opwarming van de aarde) per geproduceerde kilowattuur. Wanneer windenergie wordt gebruikt voor de elektriciteitsbehoeften, wordt de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen voor dit doel verminderd. De huidige jaarlijkse productie van elektriciteit door windturbines (3,7 miljard kilowattuur) staat gelijk aan vier miljoen vaten olie of een miljoen ton steenkool.

Windturbines zijn niet geheel vrij van nadelen voor het milieu. Veel mensen vinden ze onesthetisch, vooral wanneer enorme windmolenparken worden gebouwd in de buurt van ongerepte wildernisgebieden. Er zijn gevallen bekend van vogelslachtoffers, en de zoemende wieken produceren nogal wat lawaai. Om deze effecten te verminderen worden locaties geselecteerd die niet samenvallen met wildernisgebieden of vogeltrekroutes en wordt onderzoek gedaan naar manieren om het lawaai te verminderen.

De toekomst

De toekomst kan alleen maar beter worden voor windturbines. Het potentieel voor windenergie is grotendeels onbenut. Het Ministerie van Energie van de Verenigde Staten schat dat in 1995 tien maal de hoeveelheid elektriciteit kan worden geproduceerd die nu wordt geproduceerd. Tegen 2005 is zeventig maal de huidige productie mogelijk. Als dit wordt bereikt, zouden windturbines 10 procent van de elektriciteitsproduktie van de Verenigde Staten voor hun rekening nemen.

Er wordt nu onderzoek gedaan om de kennis van windbronnen te vergroten. Dit houdt in dat steeds meer gebieden worden getest op de mogelijkheid om windmolenparken te plaatsen waar de wind betrouwbaar en sterk is. Er zijn plannen om de levensduur van de machine te verlengen van vijf jaar tot 20 à 30 jaar, de efficiëntie van de wieken te verbeteren, te zorgen voor betere controles, aandrijvingen te ontwikkelen die langer meegaan en een betere overspanningsbeveiliging en aarding mogelijk te maken. Het Ministerie van Energie van de Verenigde Staten heeft onlangs een tijdschema opgesteld voor de uitvoering van het meest recente onderzoek om windturbines te bouwen met een hoger rendement dan nu mogelijk is. (Het rendement van een ideale windturbine is 59,3 procent. Dat wil zeggen dat 59,3 procent van de energie van de wind kan worden opgevangen. Turbines die in de praktijk worden gebruikt, zijn ongeveer 30% efficiënt). Het Ministerie van Energie van de Verenigde Staten heeft ook een contract gesloten met drie bedrijven voor onderzoek naar manieren om mechanische storingen te verminderen. Dit project begon in het voorjaar van 1992 en zal tot het einde van de eeuw duren.

Windturbines zullen de komende jaren steeds meer voorkomen. De grootste fabrikant van windturbines ter wereld, U.S. Windpower, is van plan uit te breiden van 420 megawatt capaciteit (4.200 machines) tot 800 megawatt (8.000 machines) tegen 1995. Zij zijn van plan om tegen het jaar 2000 2.000 megawatt (20.000 machines) te hebben. Ook andere fabrikanten van windturbines zijn van plan de geproduceerde aantallen op te voeren. Internationale comités, bestaande uit verschillende geïndustrialiseerde landen, hebben zich gevormd om het potentieel van windturbines te bespreken. Er worden ook inspanningen geleverd om ontwikkelingslanden te voorzien van kleine windturbines die vergelijkbaar zijn met die welke Marcellus Jacobs in de jaren 1920 bouwde. Denemarken, dat reeds 70 tot 80 procent van de windenergie in Europa produceert, ontwikkelt plannen om de productie van windturbines uit te breiden. Rond de eeuwwisseling zouden er windturbines moeten komen die goed geplaatst, efficiënt, duurzaam en talrijk zijn.