H11.3 - Windenergie

• Natuurkunde
• Middelbare school
• vmbo k, g, t
• Leerjaar 4

11.3 Windenergie

11.3 Windenergie

11.3.1 Je kunt voorbeelden geven van hoe bewegingsenergie praktisch wordt gebruikt.

11.3.2 Je kunt berekeningen uitvoeren met bewegingsenergie, massa en snelheid.

11.3.3 Je kunt benoemen welke energie-omzetting plaatsvindt in een windturbine.

11.3.4 Je kunt een eenvoudige manier beschrijven om een wisselspanning op te wekken.

11.3.5 Je kunt uitleggen hoe de wisselspanning van een fietsdynamo ontstaat.

11.3.6 Je kunt uitleggen wat wordt bedoeld met het piekvermogen van een windturbine.

Bewegingsenergie

Bewegingsenergie:

Energie die bewegende dingen hebben als gevolg van het feit dat ze bewegen.

Met een windmolen kun je die bewegingsenergie benutten.

Hoe sneller iets beweegt, des te groter is de hoeveelheid

bewegingsenergie.

Bewegingsenergie

De hoeveelheid bewegingsenergie hangt niet alleen af van de snelheid; de massa speelt ook een rol.

Hoe groter de massa, des te groter is de hoeveelheid bewegingsenergie. 

Bewegingsenergie ook wel kinetische energie genoemd.

bewegingsenergie = 0,5 × massa × snelheid in het kwadraat

Of in symbolen:

Ek = 0,5 ∙ m ∙ v2

Formule Kinetische energie

Kinetische energie is hetzelfde als bewegingsenergie!

Even oefenen!

Antwoord

Ek=0,5 . 4,6 . 5^2       

Ek= 57,5 (J)

Voorbeeldopdracht 1

Een boer slaat een paal de grond in voor een omheining. 

De kop van de paalhamer heeft een massa van 4,6 kg. De kop raakt de paal met een snelheid van 5,0 m/s.Bereken de bewegingsenergie van de kop van de hamer op het moment dat hij de paal raakt.

Gegevens:

m = 4,6 kg

v = 5,0 m/s

gevraagd

Ek = ? J

• uitwerking: 
• Ek = 0,5 ∙ m ∙ v2
• Ek = 0,5 x 4,6 × 5,02 = 2,3 × 25 = 57,5 
• 57,5 J

Bereken de bewegingsenergie van:
a) een auto (m = 1700 kg) die 50 km/h rijdt.
b) een auto (m= 1700 kg) die 100 km/h rijdt.

Hoeveel keer groter is de energie als de snelheid verdubbelt??

Windenergie is ...

... schone energie! Zo'n 50x minder CO2 uitstoot als energie uit fossiele brandstoffen.

...  oneindig! Het gaat niet op (alleen is het soms windstil).

De wind als energiebron

Windturbine:

Moderne windmolen die elektrische energie produceert.

1.  De wind laat de turbinebladen (wieken) van de windturbine draaien. De lage-snelheidsas, waaraan de bladen zijn bevestigd, draait mee.
2.  Een tandwielkast (een soort versnellingsbak) brengt de beweging van de 
lage-snelheidsas over op de hoge-snelheidsas. 
Het aantal omwentelingen per seconde wordt daarbij sterk opgevoerd.
3. De hoge-snelheidsas drijft op zijn beurt een generator aan.
In de generator wordt dan elektrische energie opgewekt.
4. Een transformator verhoogt de spanning van de opgewekte elektrische
 energie tot 10 000 volt, zodat die efficiënt vervoerd kan worden.
5. De elektrische energie wordt daarna via het elektriciteitsnet geleverd aan

 woningen en bedrijven.

Een moderne windturbine.

Bewegingsenergie omzetten

Een generator zet bewegingsenergie om in elektrische energie.

Een dynamo zit eenvoudiger in elkaar dan een generator, maar werkt volgens hetzelfde basisprincipe. 

Dynamo:

een spoel en een permanente magneet, een stuk metaal dat blijvend magnetisch is gemaakt. Je kunt deze eenvoudige ‘dynamo’ spanning laten leveren door de magneet in de spoel heen en weer te bewegen (zie blz 158). 

Als het magneetveld in een spoel verandert, ontstaat er een spanning tussen de uiteinden van de spoel. Doordat het magneetveld verandert, ontstaat er een veranderende wisselspanning. 

Als je een apparaat op die spanning aansluit, verandert ook de stroom steeds van richting: 

er ontstaat een wisselstroom.

De fietsdynamo

 Een permanente magneet magnetiseert een kern die van weekijzer is gemaakt. Dat is ijzer dat je gemakkelijk magnetisch kunt maken. Als je er een magneet bij houdt, wordt het snel magnetisch. Als je de magneet weghaalt, is de magnetisering even snel weer verdwenen. Als de dynamo wordt aangedreven, begint de magneet te draaien.  Daardoor wordt het weekijzer steeds op een andere manier gemagnetiseerd.

Het vermogen van een windturbine

Een belangrijke eigenschap van een windturbine is het piekvermogen.

In afb 6 is getekend hoe het vermogen van een windturbine afhangt van de windsterkte. 

Je ziet dat het vermogen snel stijgt bij toenemende windsnelheid. 

Als het harder waait, neemt het elektrisch vermogen niet verder toe. 

Een computer in de windturbine zorgt ervoor dat de turbine niet ‘op hol slaat’.

Ga aan de slag

Ga aan de slag met de opdrachten van H11.3.
Klaar? Ga 11.4 lezen en maken.