Hernieuwbare energiebronnen worden steeds belangrijker nu de wereld ernaar streeft minder afhankelijk te worden van fossiele brandstoffen en klimaatverandering tegen te gaan. Van de verschillende hernieuwbare energietechnologieën spelen magneten en magnetische velden een cruciale rol bij het omzetten van kinetische energie uit natuurlijke bronnen in bruikbare elektrische energie. Dit artikel gaat in op de rol van magneten en magnetische velden in hernieuwbare energiesystemen, waarbij de nadruk ligt op windturbines en waterkrachtgeneratoren en opkomende toepassingen in getijden- en golfslagenergiesystemen.
Windturbines
Windturbines zijn een van de meest voorkomende en bekende voorbeelden van hernieuwbare energiesystemen die gebruikmaken van magneten en magnetische velden. Het basisprincipe van een windturbine is het omzetten van de kinetische energie van de wind in mechanische energie, die vervolgens door een generator wordt omgezet in elektrische energie.
De rotor van een windturbine bestaat uit bladen die aan een centrale naaf zijn bevestigd, die verbonden is met een as. De wind oefent kracht uit op de bladen, waardoor ze gaan draaien. De draaiende as is verbonden met een generator, die meestal onderaan de turbinetoren staat.
De generator in een windturbine is verantwoordelijk voor het omzetten van de mechanische energie van de draaiende as in elektrische energie. Er zijn twee hoofdtypen generatoren die in windturbines worden gebruikt: asynchrone generatoren (of inductiegeneratoren) en synchrone generatoren. Beide typen generatoren werken op magneten en magnetische velden.
Asynchrone generatoren, ook inductiegeneratoren genoemd, maken gebruik van het principe van elektromagnetische inductie om mechanische energie om te zetten in elektrische energie. Deze generatoren bestaan uit een stator (het stationaire deel) en een rotor (het roterende deel). Om de stator zijn spoelen van draad gewikkeld, terwijl de rotor is gemaakt van een geleidend materiaal, zoals koper of aluminium.
Wanneer de rotor binnen het magnetische veld van de stator draait, induceert hij een wisselstroom (AC) in de spoelen van de stator. Deze wisselstroom wordt vervolgens door een omvormer omgezet in een bruikbare vorm voordat hij aan het net wordt geleverd. Het magnetische veld in asynchrone generatoren wordt gecreëerd door permanente magneten of elektromagneten, die worden aangeslagen door de opgewekte stroom.
Synchrone generatoren daarentegen gebruiken een ander principe om mechanische energie om te zetten in elektrische energie. Deze generatoren hebben een stator en een rotor, vergelijkbaar met asynchrone generatoren. De rotor in een synchrone generator is echter omwikkeld met spoelen van draad en wordt bekrachtigd door een gelijkstroom.
Terwijl de rotor binnen het magnetische veld van de stator draait, genereert hij een wisselstroom in de spoelen van de stator. Het belangrijkste verschil tussen synchrone en asynchrone generatoren ligt in de manier waarop ze de uitgangsspanning en -frequentie regelen. Synchrone generatoren zijn afhankelijk van een regelsysteem om een constante gelijkstroom in de rotorspoelen te handhaven, waardoor ze op hun beurt een constante uitgangsspanning en frequentie kunnen handhaven.
De magnetische velden in zowel asynchrone als synchrone generatoren zijn essentieel voor de efficiënte omzetting van mechanische energie in elektrische energie. De sterkte en oriëntatie van deze magnetische velden bepalen de prestaties van de generator, waaronder factoren zoals uitgangsspanning, uitgangsstroom en efficiëntie.
Hydro-elektrische generatoren
Hydro-elektrische generatoren zetten, net als windturbines, kinetische energie om in elektrische energie. In dit geval is de kinetische energie afkomstig van de waterstroom, meestal van een afgedamde rivier of een reservoir. Hydro-elektrische generatoren kunnen ook worden geclassificeerd als asynchrone of synchrone generatoren, afhankelijk van hun specifieke ontwerp en werking.
In een typisch hydro-elektrisch systeem wordt water omgeleid van een waterbron, zoals een rivier of reservoir, door een netwerk van kanalen of pijpen die penstocks worden genoemd. Het water dat door de pijpen stroomt, bezit kinetische energie door zijn