De hoogste dynamo's ter wereld

Dit artikel is geschreven door studenten die deelnemen aan het ASML Technology Scholarship. Dit is een studiebeurs voor masterstudenten in de techniek. Via Natuurkunde.nl proberen we ons enthousiasme voor de techniek over te brengen op middelbare scholieren.

De studenten die namens ASML de artikelen schrijven voor Natuurkunde.nl zijn Ole Pfeifle, Anne-Mieke Reijne, Bas van 't Hooft, Tim Hermans, Jort Jacobs en Sjoerd Loenen. 

Nu al staan er windmolens met rotordiameters tot 150 m voor de Nederlandse kust. Maar ze worden steeds groter en deze nieuwe generatie is weer een stap verder. Op de figuur beneden kan je zien hoe groot deze windmolen is.

Links is de Maastoren met een hoogte van 165 m. Rechts vliegt een Airbus A380, het grootste vliegtuig ter wereld dat tot 800 passagiers mee kan nemen. En daarnaast de windmolen met een rotordiameter van 180 m.

Voor Nederland is windenergie een belangrijke energiebron. Omdat Nederland een lange kust en een vlak landschap heeft, waait er in veel gebieden een sterke wind. Vroeger werd dit al gebruikt om met houten windmolens water te pompen. De houten windmolens zijn nog steeds een attractie voor toeristen. De huidige reuzen met een rotor diameter tot 180 m lijken hier natuurlijk vrij weinig meer op, maar het principe is hetzelfde. Wind is altijd beschikbaar en zorgt niet voor het ontstaan van CO₂ of andere producten, die slecht voor het milieu zijn. Bovendien kunnen deze windmolens ook op zee gebouwd worden, waar veel plek en nog sterkere wind is dan boven land. Het blijkt dus een ideale energiebron voor de toekomst. Maar hoe komt nu eigenlijk een elektrische stroom op gang en waarom worden de windmolens steeds groter?

De werking van een windmolen

In principe werkt een moderne windmolen hetzelfde als een fietsdynamo. In de top van een windmolen zit een grote dynamo, oftewel een generator. Maar waar een fietstsdynamo wordt aangedreven door het wiel, wordt de dynamo in een windmolen aangedreven door de draaibeweging van de vleugels. Die draaibeweging wordt gebruikt om een elektrische stroom op gang te brengen. Net zoals bij een fietsdynamo bestaat de generator uit een magneet en een spoel. De wet van Faraday zegt dat in een geleidend materiaal een spanning ontstaat als de magnetisch flux verandert. 

$U_{ind} = N \frac{\mathrm{d} \Phi_{B} }{\mathrm{d} t}$

Hierin is

• $U_{ind}$  de inductiespaqnning,
• $N$  het aantal windingen,
• $\Phi _{B}$  de flux van het magneetveld.

Een spoel bestaat uit geleidende wikkelingen, meestal van koperdraad. Het aantal wikkelingen in de hierboven gegeven formule is zoals aangegeven N.

De draaibeweging van een magneet, die aangedreven wordt door de rotor, zorgt voor een verandering van de magnetische flux in de spoel en daarmee voor een elektrische spanning. Hoe meer wikkelingen in de spoel en hoe sneller het draaien van de rotor, des te groter is de opgewekte spanning. Deze spanning brengt de stroom op gang, die dan woningen van energie kan voorzien. Dit gebeurdtnatuurlijk alleen op veel grotere schaal dan in een fietsdynamo. De generator in de top van een moderne windmolen weegt vele tonnen en zit op een hoogte van 150 m. Samen met de vleugels vereist dit een sterke constructie, om ook bij hoge windsnelheden niet in te storten.

Omdat windmolens geen CO₂ of andere stoffen produceren en geen fossiele brandstoffen (zoals koolstofgas) gebruikt worden, wordt windenergie ook 'groene energie' genoemd. Momenteel wordt al rond 4,6% van de totale elektriciteitsproductie in Nederland door windmolens opgewekt. Maar de Rijksoverheid wil dat dit nog veel meer wordt in de komende jaren. Om dit te bereiken, moeten er nog veel meer en grotere windmolens gebouwd worden.

Groot, groter, grootst

Maar waarom moeten de windmolens groter worden? Kunnen er niet gewoon meer kleinere gebouwd worden? Daarvoor willen we eerst kijken naar hoeveel energie in een windmolen opgewekt kan worden. Net zoals bij een vliegtuig stroomt de lucht bij een windmolen om de vleugels. Door de vorm van de vleugels geeft de luchtstroom een kracht in de draairichting. De lucht zelf wordt daarbij vertraagd, door de tegenovergesteldekracht van de vleugel op de lucht.

Schematisch ziet het dan uit als in figuur 4. De windsnelheid is v₀. Na het doorstromen van de windmolen is de lucht wat trager en heeft het de kleinere snelheid u. Dit betekent trouwens ook dat een windmolen die direct achter een andere windmolen staat, minder energie levert. Als de lucht gelijkmatig vertraagd wordt, kan de energie die opgewekt wordt berekend worden.

Hoe groter het verschil tussen de beginsnelheid v₀ en de eindsnelheid u, hoe meer energie er wordt gewonnen. 

Toekomstperpectief

In de toekomst zullen de windmolens nog groter en hoger worden. Op grotere hoogte is de wind sterker en gelijkmatiger. Een grote windmolen is bovendien vaak goedkoper dan twee kleine met hetzelfde totale vermogen. Vooral op zee (offshore) zijn grote windparken gepland. Op zee zijn de windsnelheden hoger. Ook ontstaan er minder problemen door geluidsoverlast van de windmolens.

Een aantal kleinere windparken bestaat al. Maar er bestaan ook problemen die nog opgelost moeten worden. Er wordt bijvoorbeeld in de nachturen veel windenergie opgewekt, terwijl dan juist minder energie nodig is. Efficiënte opslagmogelijkheden voor de energie zijn daarom erg belangrijk.

Ook worden offshore windmolens momenteel alleen in gebieden gebouwd waar het water ondiep is. De windmolens kunnen dan gewoon op een iets langere paal gezet worden die in het water staat. Maar verder weg van de kust waait de wind harder en is er bovendien nog veel vrije plek. Nieuwe manieren moeten daarom bedacht worden om ook in diep water windmolens te kunnen bouwen, bijvoorbeeld door ze op drijvende platforms te plaatsen.