Typen windmolens

HAT

In ons landschap zien we nog uitsluitend de horizontale as windturbines (HAT). De as bevindt zich vrijwel horizontaal in de windrichting en de twee of drie wieken draaien loodrecht op de windrichting in het zogenoemde rotorvlak. De as van de wieken komt uit in de ‘gondel’ bovenop de mast, waarin zich de stroomgenerator bevindt. Met de gondel wordt bovendien het rotorvlak loodrecht op de wind gehouden. Dit gebeurt meestal met behulp van een ‘kruimotor’ die elektrisch wordt aangestuurd door een windvaantje.

: Figuur 4: Horizontale as windturbines zijn onderdeel van ons landschap geworden

: Figuur 5: Plaatsing van de gondel op een windmolen

Standaard generatoren zijn gebouwd voor een toerental dat veel hoger ligt dan dat van de hoofdas van de windturbine. Een tandwielkast, die zich ook in de gondel bevindt, moet dan dus zorgen voor dat hogere toerental. Energieverliezen in de tandwielkast en de generator zijn klein, in het algemeen minder dan 5%. Verder is in de gondel nog een mechanische rem (om te kunnen stoppen bij te hoge windsnelheden) en een regeleenheid aanwezig.

VAT

In met name Canada en de VS komen ook VAT turbines voor: de verticale as windturbines. Deze ‘slagroomkloppers’ zijn niet afhankelijk van de windrichting en hebben als voordelen dat er geen krui-inrichting nodig is en dat de generator direct onder de turbine geplaatst kan worden. Nadelen zijn een iets lager rendement en periodiek variërende windbelasting op de bladen. Voor de ontwikkeling van windturbines in de bebouwde omgeving lijken VAT turbines, juist vanwege die onafhankelijkheid van de windrichting, evenwel een aantrekkelijke optie.

Liftprincipe en weerstandsmachines

: Figuur 6: VAT; de Darrieus (lifttype)

Beide systemen (HAT en VAT) werken meestal volgens het liftprincipe. De aerodynamische eigenschappen van de rotorbladen (wieken) zorgen ervoor dat ze een snelheid ontwikkelen die hoger is dan de windsnelheid zelf. De werkende kracht (de lift) staat vrijwel loodrecht op de voortgangsrichting van het rotorblad (in de richting van de wind). Liftmachines halen een hogere opbrengst en vergen minder materiaal dan de zogenoemde weerstandsmachines. Daarbij is het principe dat een lichaam meebeweegt in de windrichting zelf. Voorbeeld daarvan is de cup-anemometer, bekend van windsnelheidsmeters. De ene (holle) kant van de cup heeft een grotere luchtweerstand dan de andere (bolle) kant. De holle kant beweegt met de wind mee (maar gaat dus altijd langzamer dan de wind zelf) en de bolle kant tegen de wind in, om de holle kant weer in positie te brengen voor energieopwekking.

: Figuur 7: VAT; Savonius (weerstandstype)

Hoeveel wieken?

Vanuit onze auto’s verbazen we ons dat passerende windmolens meestal met 3 en soms met 2 wieken zijn uitgerust. Vanwaar dat verschil? Technisch zijn er verschillen, waarover zo meer, maar de belangrijkste reden voor de voorkeur is voor 3 wieken is esthetisch. Onderzoek heeft uitgewezen dat men in het algemeen driebladige windturbines met een gesloten conische toren het best waardeert. De voorkeur voor drie bladen heeft vermoedelijk te maken de optische perceptie van de draaiende rotor die voor een driebladige turbine een veel rustiger beeld oplevert dan voor een tweebladige turbine.

Geluidsoverlast

Technisch gesproken geeft een turbine met meer (brede) wieken een lager toerental en een grotere kracht, dan een turbine met een klein aantal (smalle) wieken, wanneer dezelfde hoeveelheid energie uit de wind wordt gewonnen. Bij kleine turbines kan men in principe een vrije keuze maken, afhankelijk van bijvoorbeeld de eigenschappen van de stroomgenerator.

Bij de nieuwe, grote windmolens kiest men altijd voor 3 wieken en dus voor een lage omwentelingssnelheid. Dit heeft alle te maken met geluidsoverlast, wat tot nu toe bij de installatie van windmolens op land een belangrijke rol heeft gespeeld. De tipsnelheid van de wieken bepaalt in belangrijke mate de geluidproductie. Bij lagere windsnelheden dient die snelheid in het algemeen onder de 60 à 65 m/s te blijven. Voor een kleine windmolen met een rotordiamater van 10 meter beperkt dit het toerental tot 125 omwentelingen per minuut (rpm). Voor een grote, met een diameter van 80 meter, tot slechts 16 rpm. Om dan voldoende energie uit de aanstromende lucht te halen is dus die derde wiek nodig.

: Figuur 8: Twee of drie wieken

Bij wind op zee speelt geluidsoverlast een minder prominente rol en is een snelle, gemakkelijke installatie van groot belang. De discussie over 2 of 3 wieken is momenteel daarom weer volop aan de orde bij de grote windmolenbouwers.