Steff Delorge. Mentor: Meneer Dirix L. GIP. Windenergie

Steff Delorge Mentor: Meneer Dirix L.

GIP Windenergie

6 BTW 2013-2014

Woord vooraf

Dit werk over windenergie is een onderdeel van de geïntegreerde proef van het 6 de jaar Biotechnische wetenschappen van de Tuinbouwschool in Sint Truiden.

Ik heb het onderwerp windenergie gekozen, omdat het de toekomst is. Ik vond het een heel interessant onderwerp, waar ik veel meer over wou weten.

Graag wil ik enkele mensen bedanken voor de steun die ze me gaven. Zonder hen zou het nooit gelukt zijn om dit eindwerk tot een goed einde te brengen. Ten eerste wil ik meneer Dirix van harte bedanken, omdat hij mijn mentor wou zijn gedurende het hele schooljaar. Hij verbeterde mijn gip wanneer ik het vroeg en zei wat er beter kon. Ook stond hij altijd achter mij en hij moedigde me aan wanneer het nodig was. De ICT-vaardigheden die ik kon gebruiken voor dit eindwerk heb ik ook aan hem te danken. Verder wil ik mevrouw Leemans bedanken voor de spellingscontrole, meneer Claes voor de goede raad en meneer Genoe voor het helpen met verbeteren van de wiskundeopdracht. Ten slotte dank ik mijn ouders voor hun steun.

Inhoudsopgave Woord vooraf ............................................................................................................ 3 Inleiding ................................................................................................................... 11 1

Wat is wind?............................................................................................... 13

1.1

De atmosfeer ............................................................................................... 13

1.1.1

De troposfeer ............................................................................................... 13

1.1.2

De stratosfeer .............................................................................................. 13

1.1.3

De mesosfeer .............................................................................................. 13

1.1.4

De thermosfeer ............................................................................................ 13

1.1.5

De exosfeer ................................................................................................. 14

1.2

Wat is luchtdruk ? ........................................................................................ 15

1.3

Welke krachten bepalen de wind? ............................................................... 16

1.3.1

De luchtdrukgradiëntkracht .......................................................................... 17

1.3.2

De Corioliskracht ......................................................................................... 17

1.3.3

De wrijvingskracht ....................................................................................... 18

1.3.4

De middelpuntszoekende kracht ................................................................. 19

1.4

De luchtcirculatie ......................................................................................... 19

1.5

De schaal van Beaufort ............................................................................... 21

2

Hoe werkt een windturbine ? .................................................................... 23

2.1

De delen van een windturbine ..................................................................... 23

2.1.1

De rotor met wieken .................................................................................... 24

2.1.2

De gondel .................................................................................................... 24

2.1.3

De hoofdas .................................................................................................. 25

2.1.4

De tandwielkast ........................................................................................... 25

2.1.5

De generator ............................................................................................... 25

2.1.6

De rem......................................................................................................... 26

2.1.7

Het kruisysteem ........................................................................................... 26

2.1.8

Het controlesysteem .................................................................................... 27

2.1.9

De mast ....................................................................................................... 27

2.2

De werking van een windturbine.................................................................. 27

2.3

Hoe wordt de windkracht omgezet in de beweging van de wieken?............ 28

2.4

Typen windmolens....................................................................................... 29

2.4.1

Kleine windturbines ..................................................................................... 29

2.4.1.1

Kleine verticale as windturbines ............................................................... 29

2.4.1.2

Kleine horizontale as windturbines ........................................................... 30

2.4.1.3

Energy ball en windwall windturbines ....................................................... 30

2.4.2

Grote windturbines ...................................................................................... 31

2.4.2.1

Soorten..................................................................................................... 32

2.4.2.2

Afmetingen ............................................................................................... 32

2.4.2.3

Opbrengst ................................................................................................ 32

2.5

Veiligheids- en omgevingsaspecten ............................................................ 32

2.5.1

Veiligheid ..................................................................................................... 32

2.5.1.1

Te weinig wind ......................................................................................... 32

2.5.1.2

Onderhoud ............................................................................................... 33

2.5.1.3

Defect ....................................................................................................... 33

2.5.1.4

Ijsafzetting ................................................................................................ 33

2.5.1.5

Te veel wind ............................................................................................. 33

2.6

Belang van de omgeving ............................................................................. 33

2.6.1

Trekvogels ................................................................................................... 33

2.6.2

Vliegtuigen ................................................................................................... 34

2.6.3

Slagschaduw ............................................................................................... 34

2.7

De prijs ........................................................................................................ 34

3 Welke eisen moet men stellen om een economisch verantwoord windmolenpark in de gemeente Gingelom te bouwen ? ..................................... 35 3.1 Waar moeten we rekening mee houden bij de bouw van een windmolenpark ?........................ ........................................................................................................ 35 3.1.1

Ruimtelijk: bundeling als fundamenteel uitgangsprincipe ............................ 35

3.1.2

Grondgebruik ............................................................................................... 35

3.1.3

Wonen ......................................................................................................... 36

3.1.4

Landbouw .................................................................................................... 36

3.1.5

Bedrijventerreinen ....................................................................................... 36

3.1.6

Zeehavengebieden ...................................................................................... 37

3.1.7

Sport en recreatie ........................................................................................ 37

3.1.8

Landschap ................................................................................................... 37

3.1.9

Geluidsimpact .............................................................................................. 39

3.1.10

De slagschaduw ....................................................................................... 40

3.1.11

Veiligheid.................................................................................................. 41

3.1.12

Natuur ...................................................................................................... 41

3.1.13

Luchtvaart, militaire en burgerlijke radars, installaties .............................. 42

3.1.14

Vergunningsplicht ..................................................................................... 42

3.2

Mijn lokalisatieplan ...................................................................................... 43

3.2.1

Identiteit van de indiener ............................................................................. 43

3.2.2

Beschrijving van het voorstel ....................................................................... 43

3.2.3

Bundelingsprincipe ...................................................................................... 44

3.2.4

Geluid .......................................................................................................... 44

3.2.5

Slagschaduw ............................................................................................... 44

3.2.6

Natuur.......................................................................................................... 44

3.2.7

Monumenten en landschappen ................................................................... 45

3.2.8

Veiligheid ..................................................................................................... 45

3.2.9

Overige aandachtspunten: .......................................................................... 45

3.2.10

Mijn perceel .............................................................................................. 45

3.3

Kosten - batenanalyse ................................................................................. 47

3.3.1

Baten ........................................................................................................... 47

3.3.1.1

Subsidies.................................................................................................. 47

3.3.1.2

Groene stroom certificaten (GSC) ............................................................ 48

3.3.2

De kosten .................................................................................................... 49

3.3.2.1

De bouw ................................................................................................... 49

3.3.2.2

Onderhoudskosten ................................................................................... 50

3.3.2.3

Vergoeding grondeigenaar ....................................................................... 50

Besluit……… ........................................................................................................... 53 Lijst van figuren, tabellen en grafieken ................................................................ 55 Bijlage 1: Het onderzoeksplan van de eerste onderzoeksvraag ........................ 57 Bijlage 2: verslag van de eerste onderzoeksvraag .............................................. 71 Bijlage 3: Het onderzoeksplan van de tweede onderzoeksvraag ....................... 83 Bijlage 4: verslag van de tweede onderzoeksvraag ............................................ 97 Bijlage 5: Opdracht wiskunde ............................................................................. 109

Inleiding

Wind is iets heel bijzonder, we zouden ons geen leven kunnen voorstellen zonder wind. Dankzij dit natuurverschijnsel kunnen we onze eigen groene stroom produceren d.m.v. een windturbine. Ik ben zelf ook een windturbine gaan bouwen, waar we dan 2 onderzoeken hebben op uitgevoerd. Ook ben ik gaan kijken of het economisch verantwoord is om een windmolen in mijn Gemeenten te plaatsen.

Geïntegreerde proef – Studierichting Biotechnische wetenschappen

1

2013-2014

Wat is wind?

Wind is een zeer belangrijk natuurverschijnsel. Wind is het resultaat van krachten in de atmosfeer die de beweging van lucht veroorzaakt. Wanneer deze lucht zich gaat verplaatsen van een hoog drukgebied naar een laag drukgebied ontstaat er wind.

1.1

De atmosfeer

De totale luchtlaag om de aarde wordt de atmosfeer genoemd. De atmosfeer kan ingedeeld worden in verschillende lagen: 1.1.1

De troposfeer

Dit is de eerste laag van de atmosfeer. Deze heeft een hoogte van ongeveer 11 km. Als je in de troposfeer omhoog gaat, neemt de temperatuur per kilometer 6 á 7 graden af. Het weer wordt door deze laag bepaald. 1.1.2

De stratosfeer

Deze ligt boven de troposfeer (11 km tot 50 km). In het onderste gedeelte van deze laag stopt de temperatuur met dalen. Hier is de temperatuur ongeveer -55 °C. Hoger in de stratosfeer stijgt de temperatuur. Op 47 kilometer boven het aardoppervlak is de temperatuur 0°C. In de stratosfeer wordt door zonnestralen ozon (O 3) uit zuurstof (O2) gevormd. Dit gebeurt tussen de 20 en 40 km boven het aardoppervlak. Daarom wordt dit gedeelte van de stratosfeer ozonsfeer genoemd. 1.1.3

De mesosfeer

Deze laag ligt boven de stratosfeer (50 km tot 85 km). Ze begint op 52 km hoogte. In de mesosfeer daalt de temperatuur.

1.1.4

Deelvraag 1

De thermosfeer

13


2013-2014

Deze laag ligt boven de mesosfeer. Deze laag begint op ongeveer 90 km hoogte en de temperatuur stijgt enorm in deze laag. De hoogste temperatuur ligt boven 1000°C. 1.1.5

De exosfeer

Deze ligt boven de thermosfeer. Aan deze laag is geen echt einde, omdat deze laag vervaagt in de ruimte.

Figuur 1: Verticale indeling van de atmosfeer

Wind is het resultaat van krachten in de troposfeer die de beweging van lucht veroorzaakt. De lucht gaat zich verplaatsen van gebieden met een hoge luchtdruk naar gebieden met een lage luchtdruk met als gevolg dat wind ontstaat. De hardheid van de wind verschilt naargelang van de grootte van de drukverschillen, hoe groter de drukverschillen over een bepaalde afstand, hoe harder het gaat waaien. Deze drukverschillen zijn op hun beurt weer een gevolg van veranderingen in de opwarming van het aardoppervlak, bijvoorbeeld tussen de tropen en poolstreken of tussen land en zee.

Deelvraag 1

14


1.2

2013-2014

Wat is luchtdruk ?

De luchtdruk is de kracht die het gewicht van een luchtkolom in de atmosfeer op een oppervlak uitoefent (figuur 2). In de weerberichten wordt de luchtdruk weergegeven in hectopascal (hPa). Alle gassen die aanwezig zijn in de atmosfeer dragen bij aan de luchtdruk, dus kan gezegd worden dat luchtdruk de som is van alle drukken, die de gassen in de lucht elk afzonderlijk uitoefenen. De luchtdruk is dus afhankelijk van de dichtheid en de samenstelling van de lucht. Hoe groter de hoogte boven het aardoppervlak, hoe kleiner het gewicht van de resterende luchtkolom zal zijn. De luchtdruk neemt dus af met toenemende hoogte (figuur 3) .

Figuur 2: uitgeoefende kracht op het aardoppervlak neemt af met de hoogte

Figuur 3: de luchtdruk

De luchtdruk wordt gemeten met een barometer (figuur 4). Daarop staat de luchtdruk vaak nog aangegeven in millibar. Een millibar is gelijk aan 1 hectopascal. De meeste barometers bevatten een luchtledig doosje dat afhankelijk van de drukverandering meer of minder ingedrukt wordt. De beweging wordt overgebracht op een wijzerplaat, waarop de luchtdruk kan worden afgelezen.

Deelvraag 1

15


2013-2014

Op weerkaarten worden lijnen getrokken van plaatsen met gelijke luchtdruk; dergelijke lijnen noemt men isobaren. Hierdoor is het mogelijk om luchtdrukpatronen op de weerkaart waar te nemen (figuur 5).

Figuur 4: een barometer

Figuur 5: een weerkaart

1.3

Welke krachten bepalen de wind?

Uit de natuurkunde is bekend dat er op voorwerpen die van richting of snelheid veranderen, een of meer krachten moeten werken; bij stilstand of constante snelheid werken er geen krachten of heffen de werkzame krachten elkaar op. Twee krachten kunnen elkaar bijvoorbeeld opheffen als ze even groot zijn, maar precies tegengestelde kanten opwijzen.

Voor lucht geldt hetzelfde als voor alle andere ‘voorwerpen uit de natuurkunde’. In dit geval zijn de volgende krachten van belang: de luchtdrukgradiëntkracht, de corioliskracht en de wrijvingskracht. Als de lucht zich niet in een strakke rechtlijnige beweging bevindt, maar wordt meegevoerd in een slingerend stromingspatroon, is er ook nog sprake van een middelpuntzoekende kracht.

Deelvraag 1

16


1.3.1

2013-2014

De luchtdrukgradiëntkracht

Figuur 6: de luchtdrukgradiëntkracht

Wanneer er over een bepaald gebied luchtdrukverschillen optreden, spreekt men gewoonlijk van een luchtdrukgradiëntkracht. De luchtdrukgradiëntkracht wijst van hoge druk naar lage druk. 1.3.2

De Corioliskracht

Figuur 7: de corioliskracht

De Corioliskracht wordt veroorzaakt door de draaiing van de aarde. Door de Corioliskracht krijgt de stroming een afbuiging, afhankelijk van de plaats op aarde en de windsnelheid. Op het noordelijk halfrond is er een afbuiging naar rechts, die groter is naarmate de plaats waar men zich bevindt verder van de evenaar verwijderd is. Verder geldt dat naarmate de windsnelheid hoger is, de lucht sterker afbuigt.

Deelvraag 1

17


2013-2014

Figuur 8: de coriolisk racht en luchtdrukgradiëntkracht

Op deze tekening zien we dat een benadering zich in evenwicht stelt tussen de luchtdrukgradiëntkracht, die naar het lagedrukcentrum is gericht en de corioliskracht, die precies de tegenovergestelde kant op wijst. De wind die dan waait noemen we de geostrofische wind.

Figuur 9: de corioliskracht en luchtdrukgradiëntkracht

1.3.3

De wrijvingskracht

Dicht bij het aardoppervlak moeten we rekening houden met de wrijvingskracht. Deze is afhankelijk van de ruwheid van het oppervlak. Bijvoorbeeld een polderlandschap is niet zo ruw, een bosachtig landschap is zeer ruw. Door de wrijvingskracht neemt de windsnelheid af; tegelijkertijd wordt daardoor de afbuiging als gevolg van de corioliskracht minder en beweegt de stroming weer meer in de richting van het lagedrukcentrum. Een factor die ook een invloed heeft op de wrijvingskracht en dus de windsnelheid en windrichting, is de mate van de stabiliteit van de atmosfeer: in een stabiele atmosfeer is de wrijving het grootst.

Deelvraag 1

18


1.3.4

2013-2014

De middelpuntszoekende kracht

Figuur 10: de middelpuntzoekende kracht

De luchtdrukgradiëntkracht en de corioliskracht zijn er altijd, ongeacht het stromingspatroon. Volgt de lucht een gekromde baan dan is er nog een andere kracht in het spel: de middelpuntzoekende kracht. Deze kracht doet de lucht afwijken van zijn rechtlijnige pad en dwingt hem in een gekromde baan. De middelpuntzoekende kracht wijst steeds in de richting van het middelpunt van de cirkelbaan die wordt gevolgd.

1.4

De luchtcirculatie

Als warme lucht door opwarming opstijgt, komt een algemene luchtcirculatie op gang die de hele atmosfeer op aarde beïnvloedt. In de buurt van de evenaar wordt het aardoppervlak het meest verwarmd. De lucht zet uit en stijgt op. Onder de stijgende luchtbeweging ontstaat een tekort aan luchtdeeltjes. De druk is hier dus lager dan gemiddeld. We vinden hier dus een lagedrukgebied. Dit vrijwel permanente lagedrukgebied wordt de intertropische convergentiezone of afgekort ITC genoemd. Bovenin de troposfeer is er sprake van een toenemende luchtdruk die als het ware langs de grens met de stratosfeer wordt weggedrukt naar hogere breedte. Rond 30 graden breedte zakt de afgekoelde lucht weer naar beneden (figuur 11). De kolom lucht is hier zwaarder dan gemiddeld. Aan het aardoppervlak is hier dan sprake van een hogedrukgebied en daar wordt de druk weggevoerd naar plekken waar de luchtdruk lager is. Dit is onder andere het geval rond de tropen. Hierdoor ontstaat er Deelvraag 1

19


2013-2014

een vrijwel constante wind tussen 30 graden en 0 graden breedte. Dit zijn de passaatwinden (figuur 12). De windstromen in deze regio maken de algemene luchtcirculatie echter nog niet compleet. Rond de polen is het koud. De lucht is er zwaar en drukt op het aardoppervlak. Er heerst hier een permanent hogedrukgebied. Het teveel aan lucht wordt langs het aardoppervlak weggeduwd richting 60 graden lage breedte. Juist op die plek wordt vanuit lagere breedte ook warme lucht aangevoerd. Deze sterk in temperatuur verschillende windstromen komen met elkaar in botsing (figuur 13). Hier wordt de warme luchtstroom over de koude luchtstroom heen gedrukt en stijgt de lucht op (figuur 14). Deze stijgende lucht condenseert en er ontstaat in die gebieden vaak neerslag, zoals in ons land.

Figuur 11: warme lucht stijgt op

Figuur 12: passaatwinden

Deelvraag 1

20


2013-2014

Figuur 13: koude en warme luchtstromen komen in botsing met elkaar

Figuur 14: warme luchtstroom schuift over de koude luchtstroom

1.5

De schaal van Beaufort

We meten de snelheid van wind in meter per seconde en we drukken deze uit in beaufort. Beaufort baseerde de windkracht op de hoeveelheid zeil die een groot schip kon vervoeren bij een zwakke bries, storm of orkaan.

Deelvraag 1

21


2013-2014

Tabel 1: de schaal van Beaufort

Deelvraag 1

22


2013-2014

Hoe werkt een windturbine ?

2

Een windturbine bestaat uit drie hoofdbestanddelen: de mast, de gondel en de wieken. Door de aanwezigheid van wind gaan de wieken in beweging komen, waardoor de wind wordt omgezet in elektriciteit.

2.1

De delen van een windturbine

De wieken

De Mast

Figuur 15: onderdelen van de windmolen

Deelvraag 2

23


2.1.1

2013-2014

De rotor met wieken

De moderne windturbine bestaat uit een rotor met drie wieken of windbladen. Ze worden gemaakt uit polyester versterkt met glasvezels of koolstofvezels. De rotor met windbladen eraan vast zet de kinetische energie om in mechanische rotatieenergie in de rotor-as.

Figuur 16: de wieken

2.1.2

De gondel

De gondel kan beschouwd worden als de machinekamer van de windturbine. De gondel is draaibaar gemonteerd bovenop de meestal stalen toren, dit om de rotor in goede windrichting te plaatsen. Deze machinekamer is via de toren bereikbaar en bevat het machinefundament met hierop alle belangrijkste componenten zoals de hoofdas met lagering, de tandwielkast, de generator, de remmen en het kruissysteem.

Figuur 17: de gondel

Deelvraag 2

24


2.1.3

2013-2014

De hoofdas

De rotornaaf is bevestigd aan de hoofdas die via de lagers alle krachten die inwerken op de rotor overbrengt op de structuur. Deze hoofdas brengt het koppel over naar de tandwielkast.

Figuur 19: de hoofdas

2.1.4

De tandwielkast

De tandwielkast verhoogt het toerental van de rotor naar het noodzakelijke generator toerental. Bv. een 1.000 kW windmolen van 52 m diameter draait ongeveer 20 omwentelingen per minuut en de generator 1.500 omwentelingen per minuut, de nodige overbrengingsverhouding is dan 1500/20= 75

Figuur 18: de tandwielkast

2.1.5

Deelvraag 2

De generator

25


2013-2014

Een moderne windturbine levert zijn stroom aan het openbare net. Dit gebeurt met een generator. We kunnen een generator vergelijken met een dynamo: de mechanische energie binnenkomend via een draaiende as wordt omzet in elektrische energie.

Figuur 20: de generator

2.1.6

De rem

Windmolens zijn zeer veilig uitgevoerd d.m.v. een aerodynamische remsysteem. Deze rem wordt gebruikt bij noodsituaties om de windmolen stil te leggen en wanneer de turbine aan onderhoud toe is. 2.1.7

Het kruisysteem

Het kruien of in de wind plaatsen van de gondel gebeurt volledig automatisch. De windvaan geeft een signaal aan de computer die op haar beurt een hydraulische of elektrische motor stuurt. De motor heeft een klein tandwiel dat de gondel via de grote tandkrans kan verdraaien

Figuur 21: het kruisysteem

Deelvraag 2

26


2.1.8

2013-2014

Het controlesysteem

Windmolens zijn hoogtechnologische machines. Een windturbine wordt volledig automatisch bestuurd via een intern computersysteem. Met een modemverbinding kunnen gegevens door de beheerder van op afstand worden opgevraagd. 2.1.9

De mast

Via de mast of toren kunnen werknemers zich verplaatsen naar de gondel voor onderhoud of herstellingen.

2.2

De werking van een windturbine

Een windturbine is simpel gezegd een grote omgekeerde ventilator: in plaats van elektriciteit om te zetten in wind, wordt wind omgezet in elektriciteit. Door de aanwezigheid van wind gaan de wieken beginnen te draaien. Via een set tandwielen wordt deze draaiing versneld overgezet op een stang, die verbonden is met een dynamo of generator. Deze dynamo wekt net als bij een fiets een wisselstroom op. Omdat de frequentie van deze stroom afhankelijk is van de windsnelheid en het stroomnet niet kan omgaan met variabele wisselstroom, wordt deze stroom eerst omgezet in gelijkstroom. Deze gelijkstroom wordt vervolgens weer omgezet in wisselstroom, maar dan met een vooraf bekende frequentie die compatibel is met het stroomnet.

Figuur 22: werking van een windturbine

Deelvraag 2

27


2.3

2013-2014

Hoe wordt de windkracht omgezet in de beweging van de wieken?

Bij de vormgeving van de wieken van de windturbine wordt uitgegaan van het principe van de liftkracht. Doordat de wieken de energie van de wind maximaal benutten, wordt het hele systeem in beweging gezet. De bouw van de vleugels van een vliegtuig is eveneens op dit principe gebaseerd.

Figuur 23: de omzetting van wind in beweging van de wieken

Het profiel van een wiek (ook van een vleugel) is zo gemaakt dat de lucht die langs de bovenzijde stroomt een langere weg moet afleggen dan de lucht eronder. Men heeft dan een snellere luchtstroming aan de bollere zijde dan langs de plattere kant. Zo ontstaat er bovenaan een kleinere druk dan aan de onderzijde. Dit drukverschil zorgt voor een resulterende opwaartse kracht, de liftkracht, die loodrecht staat op de richting van de aanstromende lucht, en waardoor de wieken in beweging worden gezet.

Een wiek in een luchtstroming ondervindt niet alleen een liftkracht (zoals een vleugel), maar ook een weerstandskracht of drift. Deze kracht is het gevolg van de wrijving van de lucht over het oppervlak (luchtweerstand) en van de verschillende drukkrachten op de wiek. De kracht is evenwijdig aan de richting van de luchtstroming, loodrecht op de liftkracht.

Deelvraag 2

28


2.4

2013-2014

Typen windmolens

We hebben verschillende soorten windturbines: kleine windmolens en grote windmolens, die op hun beurt nog eens verticaal of horizontaal kunnen zijn. 2.4.1

Kleine windturbines

Deze windturbines worden gebruikt door milieuvriendelijke gezinnen die stroom willen opwekken op een natuurlijke manier. Er zijn verschillende kleine windturbines op de markt. We kunnen deze indelen in verticale as windturbines, horizontale as windturbines en de energy ball en windwall windturbines. 2.4.1.1

Kleine verticale as windturbines

Deze zijn speciaal ontwikkeld om de windturbine te plaatsen in een bebouwde omgeving. Door hun bouw staan de verticale as windturbines altijd in de juiste positie ten opzichte van de wind.

Figuur 24: verticale as WTB

figuur 25: verticale as WTB

Deelvraag 2

29


2.4.1.2

2013-2014

Kleine horizontale as windturbines

Dit zijn traditionele windturbines met 2, 3 of meer wieken bevestigd aan een horizontale as. De optimale stand van de windturbine is met de wieken naar de wind toe. Deze turbines zijn het meest gunstig in het open veld, landbouwgebied of platteland.

Figuur 26: horizontale as WTB

figuur 27: horizontale as WTB

2.4.1.3

Deelvraag 2

Energy ball en windwall windturbines

30


2013-2014

Dit zijn de nieuwste soort windturbines met een horizontale as, maar met boogvormende windbladen. Alle bladen samen vormen een opengewerkte bal, die zich met behulp van een staart naar de wind toe draait.

figuur 28: energyball turbine

Figuur 29: windWall turbine

2.4.2

Grote windturbines

Figuur 30: verticale en horizontale windturbine

Deelvraag 2

31


2.4.2.1

2013-2014

Soorten

Er zijn twee soorten grote windturbines: windturbines met een verticale as en windturbines met een horizontale as. De meest voorkomende zijn windturbines met een horizontale as, maar hier en daar vind men ook een windturbine met een verticale as. Het nadeel van deze windturbines met een verticale as is dat deze windturbines op gang moeten worden geholpen en vandaar dat deze niet vaak voorkomen. 2.4.2.2

Afmetingen

Bij de hoogte van een windturbine spreken we over een masthoogte. Deze is bij een grote windturbine tussen 70 à 100 m hoog. De rotorlengte van zo’n windturbine is 33 à 40 m lang. 2.4.2.3

Opbrengst

De opbrengst van een windmolen wordt berekend naargelang het aantal vollasturen . Één windturbine met een vermogen van 2,3 MW zou jaarlijks 2000 vollasturen draaien, wat een productie oplevert van 2,3 MW x 2000 vollasturen per windmolen= 4600 MWh.

Een gemiddeld gezin verbruikt jaarlijks 3500 kwh. 1 windturbine is dus goed voor 1300 gezinnen (4600 MWh / 3500 kWh).

2.5

Veiligheids- en omgevingsaspecten

2.5.1

Veiligheid

2.5.1.1

Te weinig wind

Bij een kleine hoeveelheid wind (minder dan windkracht 2= 1,6 m/s) gaan de windturbines niet draaien, omdat er niet voldoende opbrengst is. Deelvraag 2

32


2.5.1.2

2013-2014

Onderhoud

Minstens 1 keer per jaar moet de windmolen gecontroleerd worden. Dit onderhoud wordt gedaan om slijtage in de turbine te voorkomen. Indien nodig gaat men de defecte onderdelen herstellen of vervangen. 2.5.1.3

Defect

Wanneer er een onderdeel stuk is, werkt de windmolen niet meer. 2.5.1.4

Ijsafzetting

Bij ijsafzetting wordt de windmolen stil gezet om gevaren te voorkomen. 2.5.1.5

Te veel wind

Bij een grote hoeveelheid wind (windkracht 10= 24,5 m/s) wordt de turbine automatisch afgeremd om overbelasting te voorkomen.

2.6

Belang van de omgeving

Vooraleer men een windturbine mag plaatsen, moet er nagegaan worden of de omgeving geen hinder ondervindt aan deze windturbine. 2.6.1

Trekvogels

Windmolens hebben verschillende nadelige effecten op de vogels. De effecten op vogels zijn onder te verdelen in directe sterfte, verlies van leefgebied en barrière vorming.

Deelvraag 2

33


2.6.2

2013-2014

Vliegtuigen

Vliegtuigen kunnen d.m.v. een windturbine hinder ondervinden, waardoor ze het moeilijk krijgen bij de landing. Dit kan tot zware gevolgen leiden, bv. crashen van een vliegtuig.

2.6.3

Slagschaduw

Een windturbine veroorzaakt een slagschaduw. De grootte van de slagschaduw hangt af van de grootte van de wieken. Deze is zeer irriterend voor de bewoners, omdat het geen constante schaduw is. Je moet het je voorstellen of het licht constant aan en uit gaat.

2.7

De prijs

Een grote windmolen (vermogen 2 megawatt) levert energie voor ongeveer 1200 gezinnen en kost ongeveer 2 100 000 euro. De kostprijs van een 600 kilowatt (=0,6 Megawatt) windmolen is € 700 000. In opbouw , onderhoud en exploitatie blijkt een windturbine tot 8x duurder te zijn dan een klassieke centrale in verhouding tot de hoeveelheid geproduceerde energie. De brandstof is uiteraard wel gratis met als supplement een positieve invloed op het milieu.

Deelvraag 2

34


3

2013-2014

Welke eisen moet men stellen om een economisch verantwoord windmolenpark in de gemeente Gingelom te bouwen ?

Windenergie weerspiegelt de balans tussen economie en ecologie, waarbij ecologische randvoorwaarden worden afgewogen in het streven naar een economische meerwaarde. Daarnaast is er een verbetering van de milieukwaliteit van het productiepark en een verminderde afhankelijkheid van de invoer van fossiele brandstoffen en een verminderd risico op prijsschokken van fossiele brandstoffen.

De Vlaamse hernieuwbare energietechnologie sector bestaat uit een kleine 500 bedrijven en realiseerde een geschatte omzet van 280 miljoen euro. De werkgelegenheid in de gehele sector wordt geraamd op 1227 voltijdse equivalenten. Binnen deze sector neemt windenergie zowel qua omzet als qua werkgelegenheid de belangrijkste plaats in: ongeveer 40 % van de omzet en dan hoofdzakelijk voor on shore toepassingen.

3.1

Waar moeten we rekening mee houden bij de bouw van een windmolenpark ?

3.1.1

Ruimtelijk: bundeling als fundamenteel uitgangsprincipe

Door windturbines te bundelen, moet het behoud van de nog resterende open ruimte in het sterk verstedelijkte Vlaanderen worden gegarandeerd. De voorkeur gaat dan ook uit naar het realiseren van windenergieopwekking door middel van een clustering van windturbines. Een verspreide inplanting van verschillende individuele turbines is niet aangewezen. Vanaf 3 windturbines wordt van een cluster gesproken. 3.1.2

Grondgebruik

De funderingsokkel bedraagt meestal 100 à 300 m 2 afhankelijk van de grootte van de turbine. Het moet de bedoeling zijn om zoveel mogelijk bestaande wegen en paden te gebruiken, zowel voor aanvoer van materiaal als voor onderhoud. Deelvraag 3

35


2013-2014

Men treft ook best een regeling over de ontmanteling van de turbine na buitendienststelling, over sloopplicht na negatieve revisie en dergelijke. 3.1.3

Wonen

De mogelijke impact op het wooncomfort voor geluidshinder, visuele hinder, slagschaduw, lichtbebakening dient toegelicht te worden. De aanvaardbaarheid van deze impact kan verschillen naargelang de ligging van het gebouw en naargelang de instemming of betrokkenheid van de bewoners.

3.1.4

Landbouw

In principe kunnen alle landbouwgebieden mits planningsinitiatief in aanmerking komen voor de inplanting van windturbines. Specifieke aandacht moet besteed worden aan de aanwezigheid van serres, waar de problematiek van slagschaduw onderzocht moet worden.

De mogelijke effecten van de inplanting van windturbines ten aanzien van efficiënt bodemgebruik of eventuele verstoring van de uitbating dienen beschreven te worden. Er mag niet uit het oog verloren worden dat landbouwgebieden meestal open gebieden zijn in het buitengebied. 3.1.5

Bedrijventerreinen

Windturbines op of langs bedrijventerreinen behoren tot de mogelijkheden. In een aantal gevallen is er dan ook een directe relatie tussen de geproduceerde energie en de afname ervan voor het bedrijventerrein. Wel is het aangewezen bijzondere zorg te besteden aan de inplanting van turbines in relatie met de aanwezige of toekomstige bedrijfsgebouwen in de omgeving.

Ze kunnen de vrije vormen van inrichting van het gebied beperken, wat economisch dient afgewogen te worden.

Deelvraag 3

36


2013-2014

De mogelijke impact op het werkcomfort door geluidshinder, visuele hinder, slagschaduw, lichtbebakening dient toegelicht te worden. Het is van belang de omliggende bedrijven en de bedrijventerreinbeheerder bij de planning te betrekken. De realisatie van een windturbinepark gebeurt bij voorkeur aan de rand van deze gebieden of langs bovengrondse lijninfrastructuren aldaar. 3.1.6

Zeehavengebieden

Zeehavengebieden, havengebieden en de aansluitende terreinen zijn, vanuit ruimtelijk, milieu- en windtechnische oogpunt zeer geschikt voor de inplanting van windturbines of een windmolenpark. Door hun ligging en oriëntatie vormen deze terreinen windrijke zones. Tevens zorgen de bestaande infrastructuur en netaansluiting voor vereiste bereikbaarheid. De natuur ontwikkelt zich in overeenstemming met de steeds evoluerende economische infrastructuur en activiteiten. Het is aangewezen een globale structuurvisie op te stellen voor de inplanting van windturbineparken in deze gebieden. 3.1.7

Sport en recreatie

Campings, weekendverblijfparken, … kunnen als geluidsgevoelig bestempeld worden.

De verenigbaarheid dient in de lokalisatie getoetst te worden rekening houdend met de aansluitende bestemmingsgebieden, met het type recreatiegebied qua huidig gebruik.

Ook het huidige achtergrondgeluidniveau zal hierbij richtinggevend zijn. Met betrekking tot sportfaciliteiten gaat de voorkeur uit naar zones waar reeds een vorm van geluidsstoring aanwezig is. 3.1.8

Landschap

Het effect van windmolens in een landelijke omgeving kan groter zijn dan in een verstedelijkte omgeving. In een landelijke omgeving wordt het turbinepark eerder als Deelvraag 3

37


2013-2014

contrasterend gekarakteriseerd. Ze werken schaalverkleinend, vergroten de meetbaarheid van het landschap en tasten de weidsheid en openheid aan. Anderzijds kan het contrasterende aspect van een turbinepark in een open en landelijke omgeving zonder hoge actuele landschapswaarden, een nieuw landschap opleveren. Tegenover het aspect landschap kunnen volgende afwegingselementen worden aangegeven:

-

er dient om een landschappelijke reden aansluiting gezocht bij bestaande grootschalige

infrastructuren

zoals

zeehaventerreinen,

sluizencomplexen,

lijninfrastructuren. -

de aanwezigheid van andere constructies die een belangrijke impact hebben op het landschap (Bv. masten, bruggen) en waarmee een bundeling van windturbines kan plaatsvinden.

-

de schaal van in het gebied aanwezige landschapselementen.

-

de interferentie met cultuur historische kenmerken van het gebied is bepalend.

-

de aanwezigheid van lijninfrastructuren waarvan de herkenbaarheid in het landschap door de inplanting van windturbines verhoogt. Bv. autosnelwegen, rivieren, spoorwegen, hoogspanningsleidingen.

-

aangeven van de landschappelijke invloedzone van het windmolenpark.

-

inschatting van de visuele impact van het project, rekening houdend met de gewenste bebakening zoals geëist door het directoraat-generaal van de luchtvaart.

Verder zijn belangrijk:

-

aandacht

aan

de

vormgeving

en

plaatsing

van

de

transfo-

en

bedieningsgebouwen, de wegenis of bedieningwegen naar de turbines -

bij windmolens is de verhouding van de masthoogte en/of de rotor diameter meer bepalend dan de hoogte van de turbine.

-

enkel de relatief langzaam draaiende driewieken zijn aanvaardbaar.

-

er is een sterke voorkeur naar een gelijke hoogte en een gelijke type van de windmolens per groep. Een mengeling van verschillende hoogtes en types van windturbines op 1 locatie kan storend zijn.

Deelvraag 3

38


3.1.9

2013-2014

Geluidsimpact

Geluidshinder door windmolens wordt door twee verschillende geluiden veroorzaakt: -

het pulsgeluid: dit is het pulserende geluid dat veroorzaakt wordt als een molenwiek de paal passeert;

-

het tonale geluid: dit is het permanente zoemende geluid dat veroorzaakt wordt door de tip van de wiek. Deze tipsnelheid kan oplopen tot 250 km/h.

De mate waarin hinder door windturbines kan optreden, is afhankelijk van verschillende factoren zoals de bronsterkte van de windmolen, de opstellingsvorm, de ashoogte en het aantal windturbines. Ook de aard van de ondergrond en de afstand tot de omwonenden spelen een rol. In onderstaande grafiek kan men zien dat het brongeluid van de turbine afneemt naarmate we ons verder gaan verplaatsen.

Grafiek 1: geluidsimmissie in dB in functie van brongeluid.

Om geluidshinder voor omwonenden te voorkomen mogen windturbines niet te kort bij met huizen staan: de windturbine moet op voldoende afstand staan (vuistregel 4 x de ashoogte van de turbine). De minimumafstand bedraagt 250 m.

Deelvraag 3

39


2013-2014

Alle windturbines moeten zo worden ontworpen dat ze op de gevel van nabijgelegen woningen niet meer dan 47 decibel aan geluidsbelasting veroorzaken: -

Woongebieden: overdag 44 dB, ’s avonds en ’s nachts 39 dB

-

Agrarische gebieden: overdag 48 dB, ’s avonds en ’s nachts 43 dB

-

Op < 500 m afstand van industriegebied:

-



In woongebied: 43 dB ’s nachts.



Niet in woongebied: 45 dB ’s nachts.

Op < 500 m van KMO gebied ( ambachtelijke gebieden en ontginningsgebieden tijdens de ontginning) 

In woongebied: 39 dB ’s nachts



Niet in woongebied: 43 dB ’s nachts

-

Industriegebieden: 55 dB ’s nachts

-

Buffergebieden: 50 dB ’s nachts

-

Andere gebieden: 43 dB ’s nachts

De maximale geluidsbelasting wordt berekend aan de hand van de jaargemiddelde windsnelheid op de zogenaamde masthoogte van de windturbine.

3.1.10

De slagschaduw

Draaiende wieken van windturbines kunnen hinder veroorzaken door slagschaduw., zowel voor omwonenden als mensen die in de omgeving werken, evenals voor de tuinbouw (serres).

Aangezien de slagschaduw volgens berekeningsprogramma’s steeds beperkt blijft tot 30 u per jaar op een afstand van ongeveer tweemaal de totale hoogte van de windturbine, kan men de hinder steeds als aanvaardbaar beschouwen indien er geen vreemde woningen binnen het aangeduide gebied t.o.v. de windturbine vallen.

Deelvraag 3

40


2013-2014

Figuur 31: zone waarin hinder wat betreft slagschaduw voor vreemde woni ngen in principe te groot zal zij n

3.1.11

Veiligheid

De windturbines moeten gecertificeerd zijn.

De veiligheidsaspecten moeten duidelijk beschreven zijn. In het geval van aanzienlijke risico’s is een veiligheidsstudie noodzakelijk.

om een goede veiligheid te garanderen moet een windturbine een remsysteem, controlesysteem, bliksembeveiligingssysteem en een ijsdetectiesysteem hebben. 3.1.12

Natuur

De te verwachten effecten op de fauna en flora worden (vooral vogels, vleermuizen) in internationale publicaties als mogelijke bedreiging vernoemd en zijn dus een essentieel element in de besluitvorming bij de inplanting van windmolens. Naast de effectieve aanvaring kan verstoring optreden die afhankelijk van de aard van verstoring en mate van de gewenning of van uitwijkmogelijkheden, blijvend kan zijn.

Voor de belangrijkste natuurgebieden, waaronder Vlaams Ecologische netwerken, speciale beschermingszones- habitatrichtlijnen en speciale beschermingszonesDeelvraag 3

41


2013-2014

vogelrichtlijnen, andere gebieden met belangrijke ecologische waarden en natuurreservaten dient een omgevingsanalyse uit te maken welke afstand als buffer aangewezen is. Deze afstand kan onder meer bepaald worden afhankelijk van een ornithologische analyse of in geval van significante negatieve effecten op een speciale beschermingszone, een algemene beschrijving waar rekening wordt gehouden met de omgevingsfactoren.

In dit aspect “natuur” spelen vogels een zeer belangrijke rol. Winmolens hebben verschillende effecten op vogels. Deze hangen af van de locatie, het aantal windmolens, de hoogte, de opstelling en uitvoering van de windmolens, de periode (seizoenen, dag of nacht), de weersomstandigheden. De effecten op vogels zijn onder te verdelen in indirecte sterfte, verlies van leefgebied en barrièrevorming. Zo kunnen vogels tegen de wieken van een windmolen aanvliegen wat kan leiden tot een directe sterfte. Dit gebeurt dan vooral ’s nachts of bij slecht weer. Daarnaast mijden veel vogels de windmolens en de omgeving ervan waardoor ze hun broedplaats verlaten. Verder kunnen door windmolenopstellingen barrières ontstaan, waar de vogels een omleiding gaan maken om naar hun broedplaats te gaan. Dit kost veel energie, dus moeten de vogels ook meer eten, terwijl er minder foerageertijd beschikbaar is.

3.1.13

Luchtvaart, militaire en burgerlijke radars, installaties

De mogelijke impact op militaire en burgerluchtvaart moet worden nagegaan, niet alleen in de nabijheid van luchthavens maar ook ten aanzien van bv. radarinstallaties. In deze gevallen zullen bebakenvereisten en/of hoogtebeperkingen worden opgelegd. Bijzonder aandacht dient worden te besteed aan de effecten van lichtbebakening op de omwonenden en de omgeving. 3.1.14

Vergunningsplicht

Voor de bouw van een grootschalige windturbine is naast een stedenbouwkundigvergunning ook een milieuvergunning nodig.

Deelvraag 3

42


2013-2014

De stedenbouwkundige vergunning wordt steeds aangevraagd bij de provinciaal stedenbouwkundige ambtenaar.

Bij de milieuvergunning worden de turbines onderverdeeld in klassen: -

300 kW tot en met 500 kW: klasse 3 (melding bij gemeente) ; meer dan 500 kW tot en met 5000 kW: klasse 2 (aanvraag bij gemeente) ; meer dan 5000 kW, alsook installaties voor het opwekken elektriciteit door middel van windenergie voor zover de activiteit betrekking heeft op 20 windturbines of meer, of 4 windturbines of meer die een aanzienlijke invloed hebben op een bijzonder beschermd gebied : klasse 1 ( aanvraag bij bestendige deputatie van de provincie).

3.2

Mijn lokalisatieplan

3.2.1

Identiteit van de indiener

Naam: Delorge Steff Statuut: particulier Adres: Houtstraat 4, 3890 Gingelom Tel.: 0475 58 96 21 E-mail: [email protected] 3.2.2

Beschrijving van het voorstel

Aantal windturbines: 3 windturbines Vermogen van de windturbines (in MW): 2,3 MW Ashoogte: 100 m Wiekdiameter: 60 m Ligging: x-coördinaat: 211384 y-coördinaat: 161094 Deelvraag 3

43


3.2.3

2013-2014

Bundelingsprincipe

Dit perceel bevindt zich op een perfecte afstand van de woonkern om geluidstoornis te voorkomen (100 m mast X 4= 400m): Van het perceel tot Boekhout= 650,39 m Van mijn perceel tot Jeuk= 1,80 km Van het perceel tot Mielen- Boven- Aalst= 957,52 m Van het perceel tot Engelmanshoven= 1,38 km. Dit perceel is goed bereikbaar.

Bewoners hebben geen last van slagschaduw. De slagschaduw bereikt de woonkern niet.

Er is geen bepaalde broedplaats, dus de windturbines kunnen de vogels niet belasten. 3.2.4

Geluid

Kleinste afstand van een windturbine tot een vreemde woning of woongebied: 650,39 m 3.2.5

Slagschaduw

Kleinste afstand van een windturbine tot een vreemde woning, kantoor of ander verblijfsgebouw: 650,39 m 3.2.6

Natuur

Mijn perceel bevindt zich midden in landbouwgebied. Binnen een straal van 500 m vindt men alleen maar landbouwvelden terug.

Deelvraag 3

44


3.2.7

2013-2014

Monumenten en landschappen

Rond mijn perceel bevinden zich geen monumenten of beschermde landschappen. 3.2.8

Veiligheid

Om een goede veiligheid te garanderen moet een windturbine een remsysteem, controlesysteem, bliksembeveiligingssysteem en een ijsdetectiesysteem hebben. 3.2.9

Overige aandachtspunten:

Afstand tot dichtstbijzijnde luchthavens (militaire luchtvaart, burgerluchtvaart, sportvliegvelden), (vliegplein Brustem): 6,38 km (militaire luchtvaart, sportvliegtuigen)

Radarinstallaties en andere communicatie-apparatuur in de omgeving die mogelijk kunnen gestoord worden: -

luchthaven in Brustem. Deze bevindt zich 6,38 km van mijn perceel.

-

gsm masten. Deze bevinden zich ongeveer 750 m van mijn perceel.

3.2.10

Mijn perceel

Figuur 32: mijn perceel

Deelvraag 3

45


2013-2014

Mijn perceel is gelegen in Boekhout. Dat is een klein dorpje van de gemeente Gingelom. Het perceel is gelegen midden in landbouwgebied.

Figuur 32: mijn perceel en omliggende dorpen

Legende

Mielen- Boven- Aalst

Jeuk

Mechelen

Engelmanshoven

Boekhout

Deelvraag 3

46


2013-2014

Figuur 33: mijn perceel (luchtfoto)

3.3

Kosten - batenanalyse

3.3.1

Baten

3.3.1.1

Subsidies

VLIF- investeringssteun

Het Vlaamse landbouwinvesteringsfonds (VLIF) maakt het mogelijk om als land- of tuinbouwer vestigings – en/of investeringssteun te genieten. Het minimum investeringsbedrag bedraagt bv. 15 000 euro per turbine. Voor de investering in windmolens kan men 28 % VLIF – investeringssteun genieten.

Eenmalige investeringsaftrek

Deelvraag 3

47


2013-2014

De verhoogde investeringsaftrek is gericht op investeringen voor een rationeler energiegebruik in de industrie en een verbetering van industriële energetische processen. De investeringen die in aanmerking komen voor deze steunmaatregel werden onderverdeeld in 6 groepen en 12 categorieën. Het aanwenden van windenergie valt onder groep 5 (gebruik van hernieuwbare energieën) en categorie 11 (energieproductie op basis van hernieuwbare energieën). Belangrijk hierbij is dat het gaat om nieuwe investeringen, voor vervangende apparatuur kan deze steun niet bekomen worden. De eenmalige investeringsaftrek wordt genomen op de winst van het belastbaar tijdperk waarin de installatie werd verkregen, voor het jaar 2012 bedroeg de verhoogde aftrek 13,5 %. 3.3.1.2

Groene stroom certificaten (GSC)

Eén GSC komt overeen met 1000 KWh door u in Vlaanderen opgewekte groene stroom. Groene stroom certificaten worden bijgehouden in een centrale databank die men online kan raadplegen. Aan deze GSC is een bepaalde waarde gekoppeld, ze kunnen worden verkocht aan enerzijds een elektriciteitsleverancier tegen overeengekomen prijs of anderzijds aan een distributienetbeheerder tegen een wettelijke vastgelegde minimumprijs. Deze minimumprijs hangt af van de gebruikte technologie.

Voor windenergie op land is de minimumprijs per certificaat voor installaties in dienst na 01/01/12 tot 01/01/13 indien aangesloten op het distributienet.

-

€ 90: windenergie op land, biomassa en biogas uit organische - biologische stoffen;

-

€ 60: organisch biologisch deel van restafval, stortgas (vergisting van organisch

biologische

stoffen

in

stortplaatsen

en

biogas

rioolwaterzuiveringsslib; -

€ 110 (geen ecologiepremie) – € 100 (ecologiepremie ontvangen): biogas uit vergisting van hoofdzakelijk mest- en/of land- en tuinbouwgerelateerde stromen biogas uit GFT- vergisting met compostering;

-

€ 90: waterkracht, getijden- en golfslagenergie, aardwarmte;

-

€ 60: andere technieken.

Deelvraag 3

48


2013-2014

De elektriciteitsleveranciers in Vlaanderen moeten elk jaar een bepaald percentage van hun elektriciteitsleveringen aan de eindverbruikers kunnen aantonen met een GSC . In 2002 bedroeg het percentage 8 % en dit neemt toe tot 20,5 % in 2020. Vanaf leveringsjaar 2012 wordt het aantal in te leveren GSC bepaald door het percentage van dit jaar van de geleverde elektriciteit te vermenigvuldigen met de totale bandingscoëfficiënt (verhouding tussen het aantal toegekende certificaten in het voorafgaande jaar en de totale productie van groene stroom in het voorafgaand jaar). De GSC moeten telkens op 31 maart van het jaar volgend op het levensjaar ingediend worden.

Elektriciteitsleveranciers kunnen GSC verkrijgen door zelf elektriciteit op te wekken op basis van hernieuwbare energiebronnen of door GSC te kopen van derden. Elektriciteitsleveranciers die een tekort hebben moeten een boete betalen van 125 euro per ontbrekend GSC. Deze boete wordt verlaagd naar 100 euro vanaf leveringsjaar 2013. 3.3.2

De kosten

3.3.2.1

De bouw

De kosten van een windturbine zijn sterk afhankelijk van de hoogte van de as van de windturbine. Een windturbine kost per meter as +/- 25 000, dus een windturbine van 60 m kost € 1 500 000. Een gemiddelde windturbinemolen kost € 1 500 000 - € 2 500 000.

Grafiek 2: verdeling investeringskosten van de windturbine

Deelvraag 3

49


2013-2014

De uiteindelijke kosten van een windturbine worden voor het grootste deel bepaald door de plek waar hij geplaatst wordt. De windsnelheid verschilt van locatie tot locatie en hierbij ook de opbrengst/rendement van de turbine.

Tabel 2: soorten windturbines in verhouding met de energie

3.3.2.2

Onderhoudskosten

De eerste generatie windturbines hadden hoge onderhoudskosten. Nu zijn deze sterk gereduceerd tot 1,5 à 2 % per jaar van het totale investeringsbedrag inclusief een aansprakelijkheidsverzekering.

3.3.2.3

Vergoeding grondeigenaar

De vergoedingen die door de exploitant aan de grondeigenaar en in voorkomend geval de pachter zullen betaald worden, kunnen van tweeërlei aard zijn: -

forfaitaire bedragen afhankelijk van het aantal en de aard van de rechten die worden verleend. De bedragen verschillen doorgaans naargelang men pachter of eigenaar

is.

Er

kunnen

vergoedingen

voorzien

worden

per

turbine,

elektriciteitscabine, voor slagschaduw, onder- en bovengrondse innamen, enz. De vergoedingen worden meestal jaarlijks uitbetaald;

-

een percentage van de inkomsten gegenereerd door de windturbine. Deze inkomsten kunnen voorkomen uit enerzijds de verkoop van de geproduceerde stroom en anderzijds de verkoop van groene stroom- of CO2- certificaten. Het is

Deelvraag 3

50


2013-2014

echter aangewezen hierbij een minimum te hanteren, bijvoorbeeld op basis van de gemiddelde opbrengst van een windturbine met eenzelfde vermogen.

Deelvraag 3

51


Deelvraag 3

2013-2014

52


2013-2014

Besluit

Om tot een economisch verantwoord windturbineproject te komen moet er winst gemaakt worden.

Aangezien de inkomsten afhangen van de productie van de windmolen moet er dus een zo groot mogelijke productie van elektriciteit zijn. Dit hangt af van verschillende factoren.

We onderzochten o.a. de locatie: er zijn windrijke en windarme locaties. Het is dus belangrijk een project in te plannen in een windrijke zone. In ons eerste onderzoek hebben we dit ook als resultaat gehad: wanneer de windsnelheid toeneemt, neemt de totale productie elektriciteit ook toe.

Ook het type windmolen speelt een rol: er zijn types die hoger zijn, types waarvan de diameter van de wieken groter is. In ons tweede onderzoek zijn we dit ook gaan testen: Wanneer de diameter van de wieken te klein of te groot was, hadden we een lagere productie elektriciteit.

Besluit

53


Besluit

2013-2014

54

Geïntegreerde proef studierichting biotechnische wetenschappen

2013-2014

Lijst van figuren, tabellen en grafieken

Figuur 1: verticale indeling van de atmosfeer ........................................................... 14 Figuur 2: uitgeoefende kracht op het aardoppervlak neemt af met de hoogte. ......... 15 Figuur 3: de luchtdruk ............................................................................................... 15 Figuur 4: een barometer ........................................................................................... 16 Figuur 5: een weerkaart ............................................................................................ 16 Figuur 6: de luchtdrukgradiëntkracht ........................................................................ 17 Figuur 7: de corioliskracht......................................................................................... 17 Figuur 8: de corioliskracht en luchtdrukgradiëntkracht ............................................. 18 Figuur 9: de corioliskracht en luchtdrukgradiëntkracht ............................................. 18 Figuur 10: de middelpuntzoekende kracht ................................................................ 19 Figuur 11: warme lucht stijgt op ................................................................................ 20 Figuur 12: passaatwinden......................................................................................... 20 Figuur 13: koude en warme luchtstromen komen in botsing met elkaar ................... 21 Figuur 14: warme luchtstroom schuift over de koude luchtstroom ............................ 21 Figuur 15: onderdelen van de windmolen ................................................................. 23 Figuur 16: de wieken ................................................................................................ 24 Figuur 17: de gondel ................................................................................................. 24 Figuur 19: de hoofdas ............................................................................................... 25 Figuur 18: de tandwielkast ........................................................................................ 25 Figuur 20: de generator ............................................................................................ 26 Figuur 21: het kruisysteem ....................................................................................... 26 Figuur 22: werking van een windturbine ................................................................... 27 Figuur 23: de omzetting van wind in beweging van de wieken ................................. 28 Figuur 24: verticale as WTB ..................................................................................... 29 Figuur 25: verticale as WTB ..................................................................................... 29 Figuur 26: horizontale as WTB ................................................................................. 30 Figuur 27: horizontale as WTB ................................................................................. 30 Figuur 28: energyball turbine .................................................................................... 31 Figuur 29: windWall turbine ...................................................................................... 31 Figuur 30: verticale en horizontale windturbine ........................................................ 31

Lijst van tabellen, figuren en grafieken

55


2013-2014

Figuur 31: zone waarin hinder wat betreft slagschaduw voor vreemde woningen in principe te groot zal zijn ............................................................................................ 41 Figuur 32: mijn perceel ............................................................................................. 45 Figuur 32: mijn perceel en omliggende dorpen ......................................................... 46 Figuur 33: mijn perceel (luchtfoto) ............................................................................ 47 Figuur 34: bouw windturbine..................................................................................... 60 Figuur 35: bouw windturbine..................................................................................... 60 Figuur 36: bouw windturbine..................................................................................... 60 Figuur 37: multimeter ................................................................................................ 63 Figuur 38: anemometer ............................................................................................ 63 Figuur 39: bouw windturbine..................................................................................... 74 Figuur 40: bouw windturbine..................................................................................... 74 Figuur 41: bouw windturbine..................................................................................... 74 Figuur 42: multimeter ................................................................................................ 76 Figuur 42: bouw windturbine..................................................................................... 87 Figuur 43: bouw windturbine..................................................................................... 87 Figuur 44: bouw windturbine..................................................................................... 87 Figuur 42: bouw windturbine................................................................................... 101 Figuur 43: bouw windturbine................................................................................... 101 Figuur 44: bouw windturbine................................................................................... 101

Tabel 1: de schaal van Beaufort ............................................................................... 22 Tabel 2: soorten windturbines in verhouding met de energie ................................... 50

Grafiek 1: geluidsimmissie in dB in functie van brongeluid. ...................................... 39 Grafiek 2: verdeling investeringskosten van de windturbine…………………………..49

Lijst van tabellen, figuren en grafieken

56


2013-2014

Bijlage 1: Het onderzoeksplan van de eerste onderzoeksvraag 1

Wat is de invloed van de windsnelheid op het rendement van een windmolen?

1.1

De hypothese

1.1.1

Omschrijving

Wanneer de windsnelheid verhoogt, zal het geleverde vermogen van de turbine omhoog gaan. Maar hoe hoger de windkracht, hoe langzamer het rendement omhoog gaat. Het rendement van onze windturbine gaat even constant zijn en dan gaat het geleidelijk aan omlaag gaan. 1.1.2

Ondersteuning

(%)

In deze tabel kunnen we zien dat naarmate de windsnelheid vergroot het vermogen vergroot. Maar hoe hoger de windkracht, hoe lager het rendement. Formules: elektrische energie= U*I Kinetische energie= ½*m*v2 Massa van lucht= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3 Rendement= elektrische/kinetische energie

Bijlage 1: het onderzoeksplan van de eerste onderzoeksvraag

57


1.2

2013-2014

Aanpak



We maken een turbine



We gebruiken een bladblazer voor het produceren van wind.



We meten de kinetische energie= ½*m*v2 en m= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3



We meten elektrische energie van de dynamo: P= U*I



We bepalen het rendement= elektrische energie/kinetische energie

1.3

Theorie

1.3.1

De onderdelen van mijn windturbine







Bijlag 1: het onderzoeksplan van de eerste onderzoeksvraag

58


1.3.2

Formules

      

Ekin =½ m.v² Ptotaal=½ m.v² / t m =  . V =  . A . x Ptotaal=½ .  . A . x . v² / t v = x / t Ptotaal=½ .  . A . v³ Massa= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3



E= U*I



Rendement= elektrische energie/kinetische energie

1.4

2013-2014

Materiaal

 4 PVC buizen ( ), (diameter= +/- 4 cm)  4 PVC ellebogen (  2 PVC T’s (

), (diameter= +/- 4 cm)


 3 wieken (aerodynamisch) (15 cm)  Elektriciteitsdraad (tweedraad)  Strips ( om de turbine vast te maken aan de tafel)  Multimeter.  Anemometer  Lamp 1 (3W-10W)  Lamp 2 (wanneer lamp 1 zou stuk springen) (3W-10W)  Dynamo (omdat we een lamp nemen tussen 3 en 10 Watt zullen we ook een dynamo moeten nemen van 3W-10W, zo niet springt de lamp stuk.  Bladblazer


59


1.5

Methode

1.5.1

Bouw van de windmolen

2013-2014

Stap 1

Figuur 34: bouw windturbine

Stap 2: Hier verbinden we de rotor met de elektriciteitskabel.


Stap 3 Hier maken we aan de rotor de 3 rotorbladen vast. We gebruiken de wieken van een vliegtuig omdat ze steviger en aerodynamisch zijn.


1.5.2

Omschrijving van de proef


60


2013-2014

Als leverancier van de windenergie gebruiken we een bladblazer. We gebruiken een anemometer om de windsnelheid te meten. Als elektriciteitsproducent gebruiken we een dynamo met windbladen er aan vast. De windbladen gaan we uit een vliegtuig halen omdat ze steviger zijn dan plastiek en aerodynamisch zijn. We maken de turbine vast aan de tafel met lijmklemmen, zodat de turbine niet wordt weg geblazen. Aan de dynamo hangen we een lampje, spanningsmeter en ampèremeter. We meten dan de spanning over het lampje en de stroomsterkte doorheen de stroomkring.

Bladblazer

48 cm

Windturbine

Kinetische energie (W) Windsnelheid (m/s)

Massa lucht (kg)

Ek= ½*m*v2

We meten eerst de windsnelheid. We berekenen dan de massa van lucht met de formule (r*r*π)*v*1,293 kg/m3. Daarna berekenen we de kinetische energie. Dit doen we met de formule ½*m*v2.


61


2013-2014

Daarna berekenen we het vermogen van onze dynamo. We meten de spanning, stroomsterkte en de weerstand. Met de formule P= U*I berekenen we de elektrische energie.

Windsnelheid (m/s)

Spanning over het lampje (U(V))

Stroomsterkte stroomkring (I(A))

Weerstand

Elektrische energie

(R=U/I)

P= U*I

Tenslotte berekenen we het rendement door de formule: energie/kinetische energie. We drukken het rendement uit in %.

Windsnelheid (m/s)

Kinetische energie

Elektrische energie


elektrische

Rendement dynamo (%)

62


1.5.3



2013-2014

Wat moeten we meten?

De spanning (U(V)) en de stroomsterkte (I(A)) meten we met een multimeter

Spanning

Eenheid: Volt

Stroomsterkte Ampère

Figuur 37: multimeter



Windsnelheid (v(m/s))

Snelheid

Eenheid: meter per seconde

Figuur 38: anemometer

1.5.4 

Belangrijk

De dynamo moet overeenstemmen met het lampje: wanneer de dynamo niet overeenstemt, gaat het lampje kapot springen.



De afstand tussen de windmolen en de bladblazer moet exact hetzelfde blijven.



Maak de windmolen aan de tafel vast (stabiliteit)


63


1.5.5

Verwerking van de meetresultaten

1.5.5.1

Eerste meting

Windsnelheid (mph) Windsnelheid (m/s) (45-48 mph)

2013-2014

Massa lucht (kg)

Kinetische energie (W) Ek= ½*m*v2

45,5

20,34

1,859

384,549

46,7

20,88

1,908

415,920

48,0

21,46

1,961

451,551



Windsnelheid (m/s)

Spanning Stroomsterkte over het stroomkring lampje (U(V)) (I(A))

Weerstand

Elektrische energie

(R=U/I)

P= U*I

20,34

1

0,32

3,125

0,32

20,88

1

0,28

3,571

0,28

21,46

1

0,29

3,448

0,29

Tenslotte berekenen we het rendement door de formule: energie/kinetische energie. We drukken het rendement uit in %. Bijlag 1: het onderzoeksplan van de eerste onderzoeksvraag

elektrische

64


2013-2014

Windsnelheid (m/s)

Kinetische energie

Elektrische energie


20,34

384548,65

0,32

0,0832

20,88

415919,58

0,28

0,0673

21,46

451551,23

0,29

0,0642

Gemiddelde

1.5.5.2

0,0716

Tweede meting

Windsnelheid (mph)

Kinetische energie (W) Massa lucht (kg)

(50-52 mph)

Windsnelheid (m/s)

50,6

22,62

2,067

528,805

51,4

22,98

2,100

554,484

52,1

23,29

2,129

577,410

Ek= ½*m*v2

We meten eerst de windsnelheid. We berekenen dan de massa van lucht met de formule (r*r*π)*v*1,293 kg/m3. Daarna berekenen we de kinetische energie. Dit doen we met de formule ½*m*v2. Daarna berekenen we het vermogen van onze dynamo. We meten de spanning, stroomsterkte en de weerstand. Met de formule P= U*I berekenen we de elektrische energie.


65


spanning Stroomsterkte over het stroomkring lampje (U(V)) (I(A))

Windsnelheid (m/s)

2013-2014

Weerstand (R=U/I)

elektrische energie P= U*I

22,62

2

0,42

4,76

0,84

22,98

2

0,43

4,65

0,86

23,29

2

0,43

4,65

0,86

Ten slotte berekenen we het rendement door de formule: energie/kinetische energie. We drukken het rendement uit in %.

Windsnelheid (m/s)

Kinetische energie

Elektrische energie


22,62

528805,16

0,84

0,1588

22,98

554484,42

0,86

0,1551

23,29

577410,45

0,86

0,1489

Gemiddelde


elektrische

0,1543

66


1.5.5.3

2013-2014

Derde meting

Windsnelheid (mph)


(57-60,2 mph)

Windsnelheid (m/s)

57,7

25,794

2,357

784,092

58,8

26,286

2,402

829,836

60,2

26,912

2,460

890,835

Ek= ½*m*v2



Windsnelheid (m/s)

Spanning over Stroomsterkte het lampje stroomkring (U(V)) (I(A))

Weerstand

Elektrische energie

(R=U/I)

P= U*I

25,794

3

0,56

5,36

1,68

26,286

3

0,57

5,26

1,71

26,912

3

0,51

5,88

1,53



elektrische

67


2013-2014

Windsnelheid (m/s)

Kinetische energie

Elektrische energie


57,7

784091,92

1,68

0,2143

58,8

829835,509

1,71

0,2061

60,2

890834,57

1,53

0,1717

Gemiddelde

0,1974

Eindresultaat Windsnelheid (mph)

45-48 mph

50-52 mph

57-60,2 mph

Rendement

0,0716

0,1543

0,1974

Invloed van de windsnelheid op het rendement Rendement (%)

0,25 y = 0,0221x - 0,3765 R² = 0,9029

0,2 0,15

Reeks1

0,1

Lineair (Reeks1)

0,05 0 0

5

10

15

20

25

30

Windsnelheid (m/s)


68


1.6

Tijdsplan

1.6.1

Voorbereiding van de proef



Bouw van de turbine: 3 uur



Verzameling van materiaal: 15 min



Opbouw van de proef: 30 min

1.6.2

2013-2014

Uitvoering van de proef

We doen de proef 3x na mekaar. We hebben een 45 minuten nodig om de proef uit te voeren. We hebben dus 135 minuten nodig.

1.6.3

Verwerking van de resultaten



Verwerking proef: 1 uur



Schrijven van een verslag: 5-6 uur

1.7

Veiligheid

1.7.1

Voorzorgsmaatregelen voor je begint



Maak de windmolen goed vast aan de tafel

1.7.2

Voorzorgsmaatregelen tijdens de proef



Hou de handen buiten bereik van de wieken van de windturbine



Niet met vochtige handen met stroom werken


69




2013-2014

Het best is om te werken met een installatie zonder spanning maar dat gaat niet altijd en daarom gaan we de risico’s afschermen d.m.v. aarding, fysieke afscherming, Isolatie.

1.7.3



Berg alles netjes op

1.7.4



1.8

Voorzorgsmaatregelen na de proef

Persoonlijke beschermingsmiddelen

Labojas

Besluit

Aan de hand van de grafiek kunnen we dus waarnemen dat het rendement toeneemt met een toenemende windsnelheid. Bij ons nemen we heel kleine getallen waar, omdat onze proef maar op kleine schaal is.


70


2013-2014

Bijlage 2: verslag van de eerste onderzoeksvraag 2

Wat is de invloed van de windsnelheid op het rendement van een windmolen ?

2.1

Inleiding

2.1.1








Bijlage 2: Verslag van de eerste onderzoeksvraag

71


2.1.2

2013-2014

Formules

      

Ekin =½ m.v² Ptotaal=½ m.v² / t m =  . V =  . A . x Ptotaal=½ .  . A . x . v² / t v = x / t Ptotaal=½ .  . A . v³ Massa= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3



P= U*I




2.2

Hypothese

2.2.1

Omschrijving

Wanneer de windsnelheid verhoogt, zal het geleverde vermogen van de turbine omhoog gaan. Maar hoe hoger de windkracht hoe langzamer het rendement omhoog gaat. Het rendement van onze windturbine gaat even constant zijn en dan gaat het geleidelijk aan omlaag gaan. 2.2.2

Ondersteuning

(%)

In deze tabel kunnen we zien dat naarmate de windsnelheid vergroot het vermogen vergroot. Maar hoe hoger de windkracht hoe lager het rendement.


72


2013-2014

Formules: elektrische energie= U*I Kinetische energie= ½*m*v2 Massa van lucht= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3 Rendement= elektrische/kinetische energie

2.3

Aanpak



We maken een turbine



We gebruiken een bladblazer voor het produceren van wind.



We berekenen de kinetische energie= ½*m*v2 en m= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3



We berekenen elektrische energie van de dynamo: P= U*I




2.4

Materiaal




 3 wieken (aerodynamisch) (15 cm)  Elektriciteitsdraad (tweedraad)  Strips ( om de turbine vast te maken aan de tafel)  Multimeter.  Anemometer  Lamp 1 (3W-10W)  Lamp 2 (wanneer lamp 1 zou stuk springen) (3W-10W)  Dynamo (omdat we een lamp nemen tussen 3 en 10 Watt zullen we ook een dynamo moeten nemen van 3W-10W, zo niet springt de lamp stuk.  Bladblazer


73


2.5

Methode

2.5.1


2013-2014

Stap 1







74


2.5.2

2013-2014



Bladblazer

48 cm

Windturbine





elektrische

75


2.5.3



2013-2014



Spanning

Eenheid: Volt

Stroomsterkte Eenheid: ampère

Figuur 42: multimeter




Snelheid

Eenheid: meter per seconde

Figuur 43: anemometer 2.5.4 

Belangrijk

de dynamo moet overeenstemmen met het lampje: wanneer de dynamo niet overeenstemt, gaat het lampje kapot springen.



De afstand tussen de windmolen en de bladblazer moet exact hetzelfde blijven.





76


2013-2014

2.5.5

Resultaten

2.5.5.1

Rendement bij windsnelheden tussen 20 à 22 m/s

a) Kinetische energie


Massa lucht (kg)


45,5

20,34

1,859

384,549

46,7

20,88

1,908

415,920

48,0

21,46

1,961

451,551


Daarna berekenen we het vermogen van onze dynamo. We meten de spanning, stroomsterkte en de weerstand. Met de formule P= U*I berekenen we de elektrische energie. b) Elektrische energie

Windsnelheid (m/s)


Weerstand

Elektrische energie

(R=U/I)

P= U*I

20,34

1

0,32

3,125

0,32

20,88

1

0,28

3,571

0,28

21,46

1

0,29

3,448

0,29


77


2013-2014


elektrische

c) Rendement

Windsnelheid (m/s)

Kinetische energie

Elektrische energie


20,34

384548,65

0,32

0,0832

20,88

415919,58

0,28

0,0673

21,46

451551,23

0,29

0,0642

Gemiddelde

2.5.5.2

0,0716

Rendement bij windsnelheden tussen 22 à 24 m/s


Windsnelheid (mph)


(50-52 mph)

Windsnelheid (m/s)

50,6

22,62

2,067

528,805

51,4

22,98

2,100

554,484

52,1

23,29

2,129

577,410

Ek= ½*m*v2



78


2013-2014


b) Elektrische energie



Weerstand

Elektrische energie

(R=U/I)

P= U*I

22,62

2

0,42

4,76

0,84

22,98

2

0,43

4,65

0,86

23,29

2

0,43

4,65

0,86

Windsnelheid (m/s)


elektrische

c) Rendement Windsnelheid (m/s)

Kinetische energie

Elektrische energie


22,62

528805,16

0,84

0,1588

22,98

554484,42

0,86

0,1551

23,29

577410,45

0,86

0,1489

Gemiddelde


0,1543

79


2.5.5.3

2013-2014

Rendement bij windsnelheden tussen 25 á 27 m/s


Windsnelheid (mph)


(57-60,2 mph)

Windsnelheid (m/s)

57,7

25,794

2,357

784,092

58,8

26,286

2,402

829,836

60,2

26,912

2,460

890,835

Ek= ½*m*v2




Spanning over Stroomsterkte stroomkring Windsnelheid (m/s) het lampje (U(V)) (I(A))

Weerstand

Elektrische energie

(R=U/I)

P= U*I

25,794

3

0,56

5,36

1,68

26,286

3

0,57

5,26

1,71

26,912

3

0,51

5,88

1,53


80


2013-2014


elektrische

c) Rendement

Windsnelheid (m/s)

Kinetische energie

Elektrische energie


57,7

784091,92

1,68

0,2143

58,8

829835,509

1,71

0,2061

60,2

890834,57

1,53

0,1717

Gemiddelde

2.5.6

0,1974

Conclusie

Invloed van de windsnelheid op het rendement Rendement (%)

0,00025 0,0002 0,00015 0,0001 0,00005 0 20-22 m/S

22-24 m/S

25-27 m/s

Windsnelheid (m/s)


81


2013-2014

Het rendement neemt toe met een stijgende windsnelheid. We hadden het in onze hypothese fout: “Hoe hoger de windkracht, hoe langzamer het rendement omhoog gaat. Het rendement van onze windturbine gaat even constant zijn en dan gaat het geleidelijk aan omlaag gaan.” We zien in onze grafiek dat het rendement van windsnelheid 1 (20-22 m/s) naar windsnelheid 2 (22-24 m/s) verdubbelt en bij windsnelheid 3 (25-27 m/s) verdrievoudigt.


82


2013-2014

Bijlage 3: Het onderzoeksplan van de tweede onderzoeksvraag

Wat is de invloed van de totale oppervlakte van de

3

wieken op het rendement van een windmolen ? 3.1

De hypothese

3.1.1

Omschrijving

Wanneer we de wieken gaan vergroten en de snelheid constant gaan houden, zal het geleverde vermogen van de turbine omhoog gaan. Het rendement zal toenemen naarmate de wieken groter worden. 3.1.2

Ondersteuning

We gebruiken de formules: elektrische energie= U*I Kinetische energie= ½*m*v2 Massa van lucht= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3 Rendement= elektrische/kinetische energie

3.2

Aanpak



We maken 3 turbines, waarvan de wieken telkens verschillen in grootte.



We gebruiken een bladblazer voor het produceren van wind (constante snelheid).



We meten de kinetische energie= ½*m*v2 en m= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3



We meten de elektrische energie van de dynamo: P= U*I




3.3

Theorie

3.3.1

Eerste windturbine


83


2013-2014







3.3.1.1

Tweede windturbine






84


2013-2014



3.3.1.2

Derde windturbine







3.3.2      

Formules

Ekin =½ m.v² Ptotaal=½ m.v² / t m =  . V =  . A . x Ptotaal=½ .  . A . x . v² / t v = x / t Ptotaal=½ .  . A . v³


85




Massa= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3



E= U*I




3.4

2013-2014

Materiaal




 3x 3wieken (lengte 15,18, 21cm) (aerodynamisch)  Bladblazer (constante snelheid)  Elektriciteitsdraad (tweedraad) (lengte= +/- 30 cm)  Strips ( om de turbine vast te maken aan de tafel)  Multimeter.  Anemometer  Lamp (3W-10W)  1 Lamp extra (wanneer de lamp zou stuk springen) (3W-10W)  Dynamo (omdat we een lamp nemen tussen 3 en 10 watt zullen we ook een dynamo moeten nemen van (3W-10W), zo niet springt de lamp stuk.


86


3.5

Methode

3.5.1


2013-2014

Stap 1







87


3.5.2

2013-2014



Bladblazer

Lengte van het windblad

Windsnelheid (mph= x 0,44704)

48 cm

Windsnelheid (m/s)

Windturbine

Massa lucht (kg)


(45-48 mph) 15 cm

Constant (meten)

Mph x 0,44704= m/s

18 cm

Constant (meten)

Mph x 0,44704= m/s

21cm

Constant (meten)

Mph x 0,44704= m/s

We meten eerst de windsnelheid. We Berekenen dan de massa van lucht met de formule (r*r*π)*v*1,293 kg/m3. Daarna berekenen we de kinetische energie. Dit doen we met de formule ½*m*v2.


88


2013-2014



Windsnelheid (m/s)

7cm

Constant (meten)

14 cm

Constant (meten)

21cm

Constant (meten)



Weerstand (R=U/I)

Elektrische energie P= U*I



7cm

14 cm

21cm

Windsnelheid (m/s)

Kinetische energie

Elektrische energie

elektrische


Constant (meten) Constant (meten) Constant (meten)


89


3.5.3 



Spanning



eenheid: Volt

stroomsterkte ampère


Snelheid

3.5.4 

2013-2014

eenheid: meter per seconde

Belangrijk

De dynamo moet overeenstemmen met het lampje: wanneer de dynamo niet overeenstemt gaat het lampje kapot springen.



De afstand tussen de windmolen en de haardroger moet exact hetzelfde blijven.





90


3.5.5

2013-2014

Verwerking van de meetresultaten

Eerste meting Lengte van Windsnelheid Windsnelheid het windblad (mph) (m/s)

Massa lucht (kg)

kinetische energie (W) Ek= ½*m*v2

15

44,1

19,715

3,532

686,41

15

44,7

19,983

2,63

525,1

15

44

19,67

3,524

681,72

We meten eerst de windsnelheid. We berekenen dan de massa van lucht met de formule (r*r*π)*v*1,293 kg/m3. Daarna berekenen we de kinetische energie. Dit doen we met de formule ½*m*v2. Daarna berekenen we het vermogen van onze dynamo. We meten de spanning, stroomsterkte en de weerstand. Met de formule P= U*I berekenen we de elektrische energie.

Lengte van Windsnelheid het windblad (m/s)


Weerstand (R=U/I)


15

19,715

3

0,49

6,122

1,47

15

19,983

3

0,52

5,769

1,56

15

19,67

3

0,48

6,25

1,44

Tenslotte berekenen we het rendement door de formule: energie/kinetische energie. We drukken het rendement uit in %. Lengte van Windsnelheid het windblad (m/s)




15

19,715

686,41

1,47

0,214157719

15

19,983

525,1

1,56

0,297086269

15

19,67

681,72

1,44

0,211230417

19,78933333


elektrische

0,240824802

91


3.5.5.1

2013-2014

Tweede meting

Lengte van Windsnelheid Windsnelheid het windblad (mph) (m/s)

Massa lucht (kg)


18

44,1

19,714

2,595

504,26

18

44,1

19,714

2,595

504,26

18

44,7

19,983

2,63

525,1





Weerstand (R=U/I)


18

19,714

3

0,52

5,769

1,56

18

19,714

3

0,52

5,769

1,56

18

19,983

3

0,52

5,769

1,56

Tenslotte berekenen we het rendement door de formule: energie/kinetische energie. We drukken het rendement uit in %. Lengte van Windsnelheid het windblad (m/s)




18

19,714

504,26

1,56

0,309364217

18

19,714

504,26

1,56

0,309364217

18

19,983

525,1

1,56

0,297086269

19,80


elektrische

0,305271568

92


3.5.5.2

2013-2014

Derde meting


Massa lucht (kg)


21

44,1

19,715

3,532

686,41

21

44

19,67

3,524

681,72

21

44

19,67

3,524

681,72




spanning over Stroomsterkte het lampje stroomkring (U(V)) (I(A))

Weerstand (R=U/I)

elektrische energie P= U*I

21

19,715

3

0,49

6,122

1,47

21

19,67

3

0,48

6,25

1,44

21

19,67

3

0,48

6,25

1,44



elektrische

93



2013-2014




21

19,715

686,41

1,47

0,214157719

21

19,67

681,72

1,44

0,211230417

21

19,67

681,72

1,44

0,211230417

19,685

0,212206185

Invloed van de oppervlakte van de wieken op het rendement Rendement (%)

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 19,66

19,68

19,7

19,72

19,74

19,76

19,78

19,8

19,82

Snelheid (m/s)

3.6

Tijdsplan

3.6.1

Voorbereiding van de proef



Bouw van de 3 turbines: 5 uur



Verzameling van materiaal: 20 min



Opbouw van de proef: 45 min

3.6.2

Uitvoering van de proef

We doen de proef 3x na mekaar. We hebben een 60 minuten nodig om de proef uit te voeren. We hebben dus 180 minuten nodig.


94


3.6.3

Verwerking van de resultaten



Verwerking proef: 1,5 uur



Schrijven van een verslag: 5-6 uur

3.7

Veiligheid

3.7.1

Voorzorgsmaatregelen voor je begint



2013-2014

Maak de windmolen goed vast aan de tafel

3.7.2

Voorzorgsmaatregelen tijdens de proef



Hou de handen buiten bereik van de wieken van de windturbine



Niet met vochtige handen met stroom werken



Het best is om te werken met een installatie zonder spanning maar dat gaat niet altijd en daarom gaan we de risico’s afschermen d.m.v. aarding, fysieke afscherming, Isolatie.

3.7.3



Berg alles netjes op

3.7.4



3.8

Voorzorgsmaatregelen na de proef

Persoonlijke beschermingsmiddelen

Labojas

Besluit


95


2013-2014

We kunnen waarnemen dat het rendement het grootst is bij een windmolen met de lengte van de wieken gelijk aan 18 cm.


96


2013-2014

Bijlage 4: verslag van de tweede onderzoeksvraag

Wat is de invloed van de totale oppervlakte van de

4

wieken op het rendement van een windmolen ? 4.1

De hypothese

4.1.1

Omschrijving

Wanneer we de wieken gaan vergroten en de snelheid constant gaan houden, zal het geleverde vermogen van de turbine omhoog gaan. Het rendement zal toenemen naarmate de wieken groter worden. 4.1.2

Ondersteuning

We gebruiken de formules: elektrische energie= U*I Kinetische energie= ½*m*v2 Massa van lucht= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3 Rendement= elektrische/kinetische energie

4.2

Aanpak



We maken 3 turbines, waarvan de wieken telkens verschillen in grootte.



We gebruiken een bladblazer voor het produceren van wind (constante snelheid).



We berekenen de kinetische energie= ½*m*v2 en m= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3



We berekenen elektrische energie van de dynamo: P= U*I




4.3

Theorie

4.3.1


4.3.1.1

Eerste windturbine

Bijlage 4: Verslag van de tweede onderzoeksvraag

97


2013-2014







4.3.1.2

Tweede windturbine






98


2013-2014



4.3.1.3

Derde windturbine







4.3.2

     

Formules

Ekin =½ m.v² Ptotaal=½ m.v² / t m =  . V =  . A . x Ptotaal=½ .  . A . x . v² / t v = x / t Ptotaal=½ .  . A . v³

Bijlage 4 : Verslag van de tweede onderzoeksvraag

99




Massa= (r*r*π)*v*1,293 kg/m3



E= U*I




4.4

2013-2014

Materiaal




 3x 3wieken (lengte 15,18, 21cm) (aerodynamisch)  Bladblazer (constante snelheid)  Elektriciteitsdraad (tweedraad) (lengte= +/- 30 cm)  Strips ( om de turbine vast te maken aan de tafel)  Multimeter.  Anemometer  Lamp (3W-10W)  1 Lamp extra (wanneer de lamp zou stuk springen) (3W-10W)  Dynamo (omdat we een lamp nemen tussen 3 en 10 watt zullen we ook een dynamo moeten nemen van (3W-10W), zo niet springt de lamp stuk.


100


4.5

Methode

4.5.1


2013-2014

Stap 1







101


4.5.2

2013-2014



Bladblazer

48 cm

Windturbine

We meten eerst de windsnelheid. We Berekenen dan de massa van lucht met de formule (r*r*π)*v*1,293 kg/m3. Daarna berekenen we de kinetische energie. Dit doen we met de formule ½*m*v2.




elektrische

102


4.5.3 



Spanning



eenheid: Volt

stroomsterkte eenheid: ampère


Snelheid

4.5.4 

2013-2014

eenheid: meter per seconde

Belangrijk

Dynamo moet overeenstemmen met het lampje: wanneer de dynamo niet overeenstemt gaat het lampje kapot springen.



De afstand tussen de windmolen en de haardroger moet exact hetzelfde blijven.





103


4.5.5

2013-2014

Resultaten

Het rendement bij de lengte van de windbladen= 15 cm




Windsnelheid Windsnelheid Massa lucht (mph) (m/s) (kg)

15

44,1

19,715

3,532

686,41

15

44,7

19,983

2,63

525,1

15

44

19,67

3,524

681,72



Weerstand (R=U/I)




15

19,715

3

0,49

6,122

1,47

15

19,983

3

0,52

5,769

1,56

15

19,67

3

0,48

6,25

1,44

c) Rendement


Windsnelheid (m/s)




15

19,715

686,41

1,47

0,214157719

15

19,983

525,1

1,56

0,297086269

15

19,67

681,72

1,44

0,211230417

19,78933333


0,240824802

104


4.5.5.1

2013-2014

Rendement met de lengte van de windbladen= 18 cm



Lengte van Windsnelheid Windsnelheid Massa lucht het windblad (mph) (m/s) (kg) 18

44,1

19,714

2,595

504,26

18

44,1

19,714

2,595

504,26

18

44,7

19,983

2,63

525,1



Weerstand (R=U/I)




18

19,714

3

0,52

5,769

1,56

18

19,714

3

0,52

5,769

1,56

18

19,983

3

0,52

5,769

1,56

c) Rendement

Lengte van Kinetische Elektrische Windsnelheid het energie (W) energie (m/s) windblad Ek= ½*m*v2 P= U*I


18

19,714

504,26

1,56

0,309364217

18

19,714

504,26

1,56

0,309364217

18

19,983

525,1

1,56

0,297086269

19,80


0,305271568

105


4.5.5.2

2013-2014

Rendement met de lengte van de windbladen= 21 cm



Massa lucht (kg)

Kinetische energie (W) Ek= ½*m*v2 686,41

21

44,1

19,715

3,532

21

44

19,67

3,524

681,72

21

44

19,67

3,524

681,72




Weerstand (R=U/I)


21

19,715

3

0,49

6,122

1,47

21

19,67

3

0,48

6,25

1,44

21

19,67

3

0,48

6,25

1,44

c) Rendement

kinetische Lengte van Windsnelheid energie (W) het windblad (m/s) Ek= ½*m*v2



21

19,715

686,41

1,47

0,214157719

21

19,67

681,72

1,44

0,211230417

21

19,67

681,72

1,44

0,211230417

19,685


0,212206185

106


4.5.6

2013-2014

Conclusie

Invloed van de oppervlakte van de wieken op het rendement van een windmolen Rendement (%)

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 15 cm

18 cm

21 cm

lengte van de wieken

Uit ons onderzoek blijkt dat het rendement het grootst is met een windmolen met de lengte van de wieken gelijk aan 18 cm. Bij een lengte van 15 en 21 cm is onze windturbine het minst rendabel. We hadden het fout in onze hypothese: het rendement blijft niet toenemen, naarmate de wieken vergroten. Mogelijke oorzaken: Bij 15 cm is het normaal dat het rendement lager ligt dan bij 18 cm. Hier is de oorzaak dat de oppervlakte van de wieken verschilt in grootte, Waardoor we minder rendement krijgen. Bij 21 cm zijn de wieken groter, waardoor er meer wind wordt opgevangen: het toerental van de dynamo is te groot (overbelasting), waardoor we minder rendement krijge


107



2013-2014

108


2013-2014

Bijlage 5: Opdracht wiskunde

Lineaire regressie en correlatie

5

De wiskunde opdracht wordt gemaakt aan de hand van het eerste onderzoek: wat is de invloed van de windsnelheid op het rendement van een windmolen ? Uit dit onderzoek haal ik de elektrische energie en de windsnelheid om aan de hand van lineaire regressie de wiskunde opdracht te berekenen.

5.1

Resultaten

5.1.1

Eerste meting


Massa lucht (kg)


45,5

20,34

1,859

384,549

46,7

20,88

1,908

415,920

48,0

21,46

1,961

451,551

Windsnelheid (m/s)


Weerstand

Elektrische energie

(R=U/I)

P= U*I

20,34

1

0,32

3,125

0,32

20,88

1

0,28

3,571

0,28

21,46

1

0,29

3,448

0,29

Bijlage 5: opdracht wiskunde

109


2013-2014

Windsnelheid (m/s)

Kinetische energie

Elektrische energie


20,34

384,549

0,32

0,0832

20,88

415,920

0,28

0,0673

21,46

451,551

0,29

0,0642

Gemiddelde

5.1.2

0,0716

Tweede meting

Windsnelheid (mph)


(50-52 mph)

Windsnelheid (m/s)

50,6

22,62

2,067

528,805

51,4

22,98

2,100

554,484

52,1

23,29

2,129

577,410

Ek= ½*m*v2



Weerstand

Elektrische energie

(R=U/I)

P= U*I

22,62

2

0,42

4,76

0,84

22,98

2

0,43

4,65

0,86

23,29

2

0,43

4,65

0,86

Windsnelheid (m/s)


110


2013-2014

Windsnelheid (m/s)

Kinetische energie

Elektrische energie


22,62

528,805

0,84

0,1588

22,98

554,484

0,86

0,1551

23,29

577,410

0,86

0,1489

Gemiddelde

5.1.3

0,1543

Derde meting

Windsnelheid (mph)


(57-60,2 mph)

Windsnelheid (m/s)

57,7

25,794

2,357

784,092

58,8

26,286

2,402

829,836

60,2

26,912

2,460

890,835

Windsnelheid (m/s)


Ek= ½*m*v2

Weerstand

Elektrische energie

(R=U/I)

P= U*I

25,794

3

0,56

5,36

1,68

26,286

3

0,57

5,26

1,71

26,912

3

0,51

5,88

1,53


111


2013-2014

Windsnelheid (m/s)

Kinetische energie

Elektrische energie


25,794

784,092

1,68

0,2143

26,286

829,836

1,71

0,2061

26,912

890,835

1,53

0,1717

Gemiddelde

5.2

0,1974

Wiskunde oefening

Gegeven: Bereken nu op de elektrische energie en de windsnelheid de regressierechten en de correlatie. Regressie rechten (Y= aX +b)

a= ?

Correlatie

b= ?

r= ? R= n

 ( xi  xgem ) * ( yi  ygem )

n

a

 xi  xgem ) * ( yi  ygem 

i 1

i 1

n

 ( xi  xgem ) 2 i 1

b=

ygem  a * xgem

0,2359

-4,5881

n

 ( xi  xgem ) 2 * i 1

n

 ( yi  ygem )

2

i 1

0,9711

Y= 0,2359X – 4,5881


112


2013-2014

elektrische energie als functie van de windsnelheid y = 0,2359x - 4,5881 R² = 0,943

2 1,8

Elektrische enrgie

1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

Windsnelheid


113



2013-2014

114

Steff Delorge. Mentor: Meneer Dirix L. GIP. Windenergie

Recommend Documents