'Synthetic jets' tegen vermoeidheid

"Rekenwerk geeft een indicatie dat we de vermoeiing van het materiaal met 70 procent kunnen verminderen," zegt Herman Snel van ECN Windenergie. "En dat zou veel grotere windturbines mogelijk maken."

Het kan kort of lang duren, maar uiteindelijk breekt elk stuk metaal of kunststof dat langdurig en wisselend wordt belast. Kritische onderdelen sterk en dus zwaar genoeg maken is een oplossing, voor relatief kleine constructies. "Maar als we die lijn doortrekken, wordt een tweemaal zo grote windturbine acht keer zo zwaar," zegt Snel. "Terwijl hij slechts vier keer zoveel vermogen levert." Steeds betere technologie brengt die factoren tot nu toe wat dichter bij elkaar. In de ontwikkeling van 50 naar 100 meter diameter zijn windturbines zes keer zoveel gaan wegen en werd het vermogen bijna 4,5 keer zo groot. Ondanks de extra kilo's zijn de grotere turbines rendabel, vooral op zee. Want de kosten van een windpark gaan hand in hand met het aantal funderingen.

Van overtrek naar spoedregeling
De vermogensregeling van oudere windturbines maakt gebruik van het aërodynamisch 'overtrekken' van de rotorbladen. Als de aanstromende lucht een bladkoorde precies van voren raakt, is de invalshoek nul en doet het blad niets. Een ideale luchtstroom komt wat meer van onderen, met een invalshoek van een graad of acht. Dan ontstaat een draagkracht die veel groter is dan de luchtweerstand van het blad, met een component in de draairichting van de rotor. Bij hogere windsnelheid en min of meer constant toerental nemen zowel de invalshoek als de draagkracht toe, zodat de turbine meer vermogen uit de wind haalt. Boven circa 15 graden overtrekt het blad; de luchtweerstand blijft toenemen, maar de draagkracht zakt in. Daardoor wordt het opgenomen vermogen beperkt tot een waarde die de rotor veilig aankan.
"Een werkpunt in de buurt van de overtrek is aan een kant niet zo gek," vertelt Snel. "Een variërende invalshoek verandert daar weinig aan de krachten op de rotor. Maar het zijn wel grote krachten. Bovendien is het loslaten van de luchtstroom tijdens de overtrek een nogal onvoorspelbaar proces, met variaties in tijd, waardoor wisselbelastingen ontstaan."  Tot nu toe is de overtrekregeling alleen toegepast voor windturbines tot circa twee megawatt. Bij grotere vermogens wordt een bladhoekregeling ingezet, die de stand van de rotorbladen voortdurend bijstelt om het vermogen binnen nauwe grenzen te houden. De invalshoek blijft dan ruim buiten het overtrekgebied.

De invalshoek is de hoek tussen de schijnbare wind en de koorde van een rotorblad.

De draagkracht en de luchtweerstand van een rotorblad variëren met de invalshoek. Hoe de grafieken er precies uitzien hangt af van het bladprofiel.

Klapbelasting
Van turbulentie is dan weinig sprake en de rotor wordt gemiddeld minder zwaar belast. Maar elk voordeel heeft een nadeel. Juist bij wat kleinere invalshoeken zijn de slanke bladen van een grote windturbine extreem gevoelig voor variaties in de aanstroming. Een graad meer of minder scheelt al gauw tonnen aan draagkracht, zodat vooral de bladwortels een forse klapbelasting moeten verwerken.
Snel: "Regeling van de instelhoek per blad kan verschillen gladstrijken die zich één keer per omwenteling voordoen. Zoals de tik die een blad krijgt als het voor de mast langs gaat. Maar er zit ook veel energie in snellere variaties. En daar is de huidige bladhoekregeling te traag voor."

Synthetic jets
Nodig is voortdurende bijstelling van de draagkracht zonder de stand van het hele blad te veranderen. Stuurvlakjes aan de achterrand van het blad zouden het aankunnen, maar zoiets wordt nogal kwetsbaar en niet onderhoudsvriendelijk. Interessanter lijken synthetic jets, waarvan ECN samen met de Universiteit Twente de mogelijkheden onderzoekt. Het gaat om een membraan in een holte, verbonden met kleine openingen in de huid aan onder- en bovenzijde bij de achterrand van het rotorblad. In het prototype waarmee nu windtunnelproeven worden gedaan brengen luidsprekers de holte in trilling, zodat via de openingen circa 100 keer per seconde wat lucht wordt aangezogen aan de ene kant en uitgeblazen aan de andere kant. Het effect is vergelijkbaar met dat van een stuurvlakje. Voor meer draagkracht wordt aan de onderkant uitgeblazen, voor minder draagkracht blaast de jet naar boven. De mate waarin moet uiteraard nauwkeurig worden geregeld, en daar zijn sensors voor nodig.

Goed en goedkoop
"Een elegante oplossing zou kunnen bestaan uit druksensors verbonden met minuscule openingen in de voorrand van het blad, aan boven- en onderzijde," zegt Snel. "Uit de gemeten drukverschillen kan de software heel goed veranderingen van de invalshoek afleiden, en ze direct compenseren met de jets."
Synthetic jets zijn mechanisch eenvoudig en kosten nauwelijks energie. Voor deze toepassing worden de openingen dicht bij de achterrand van het rotorblad geplaatst, waar ze geen last hebben van ijs; een hoge betrouwbaarheid lijkt aannemelijk. De openingen voor de druksensors zouden eerder vervuilen, maar: "De software merkt dat en kan ze makkelijk schoonblazen met druklucht, geleverd door de holle bladen zelf - de rotor werkt als een gigantische centrifugaalpomp."
Verder kunnen goedkope versnellingsmeters in de tips van de bladen de klapkrachten signaleren. Meerdere, verschillende sensors maken het systeem als geheel nauwkeuriger en betrouwbaarder.

Windturbines van 10 megawatt krijgen meer dan 70 meter lange bladen. Binnen die lengte kan een turbulente wind sterk variëren (bron: Erich Hau, 1988, Springer Verlag).

Tien procent lichter
Voorlopig gaat het nog slechts om rekenwerk en experimenten die moeten bewijzen dat het idee realiseerbaar is, en waaruit de informatie moet rollen die het detailontwerp van een complete installatie mogelijk maakt. Als het kan werken zoals verwacht, is de winst groot.
Snel: "Onze wiskundige modellen kunnen nu heel aardig rekenen aan vermoeiingsverschijnselen. Ze simuleren zowel de atmosfeer als een windturbine tot in detail, zodat we de wisselende belastingen en de schades die erdoor ontstaan kunnen begroten tot op 20 procent nauwkeurig." Het lijkt aannemelijk dat bijsturen met synthetic jets het tempo waarin materiaalmoeheid toeneemt met 70 procent kan verminderen. "Een circa 10 procent lichtere constructie haalt in dat geval dezelfde levensduur. Daarmee worden veel grotere turbines mogelijk. Denk aan rotorbladen van meer dan 70 meter lengte en een vermogen van
10 megawatt!"

Tekst: Steven Bolt

Contact
Herman Snel
ECN Windenergie
Tel.: 022 456 4170
E-mail: Herman Snel 

Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/