"Windturbines zijn aërodynamisch veel ingewikkelder dan vliegtuigen," zegt Gerard Schepers van ECN Wind. "Zo ingewikkeld, dat de ontwerper nog voor een groot deel in het duister tast, en soms moet vertrouwen op intuïtie en ervaring."
Een exacte wiskundige beschrijving van de luchtstromen rond de bladen en andere onderdelen van een windturbine is al mogelijk sinds de negentiende eeuw, dankzij het werk van Navier en Stokes. Waarom dan niet gewoon het rekenwerk doen? "Tja," zegt Schepers. "Dat is een van de 'Millennium Problemen'. Het Amerikaanse Clay Mathematics Institute geeft je een miljoen dollar als je er een goed begin mee kunt maken."
Het is niet eens zeker dat er bruikbare oplossingen van de Navier-Stokes vergelijkingen bestaan, voor de luchtstromen waar het hier om gaat. Wiskundigen zien nog geen spoor van licht aan het eind van de tunnel, en de duisternis kan in dit geval best eeuwig zijn. Exacte wiskunde laat ons in de steek. De aërodynamica van windturbines is een kwestie van benaderingen. Nu betekent dat nog een enigszins onzeker compromis; computational fluid dynamics (CFD) kan de luchtstromen heel nauwkeurig simuleren. Maar dan wordt de rekentijd voor een ontwerp al gauw in jaren gemeten, ook bij gebruik van supercomputers.
Ontwerpers zijn daarom aangewezen op vereenvoudigingen zoals de blade element momentum methode (BEM). Die verdeelt het rotorblad in secties en gaat ervan uit dat de luchtstroom rond elke sectie zich apart laat berekenen, onafhankelijk van naburige delen van het blad. Bovendien werkt een BEM-aanpak alleen goed zolang de stroming enigszins constant blijft.
De proefturbine van project Mexico in de grote windtunnel van de DNW, in de Noordoostpolder.
Rekenfouten van 50 procent
Schepers: "De huidige benaderingen voorspellen de werkelijkheid heel aardig, als de wind recht van voren komt en de rotor er niet al te veel vermogen uit haalt. Bij off-design condities, bij zwaardere belasting en scheefstand loopt de fout snel op. Denk aan 50 procent."
Wind bestaat uit vlagen en wervelingen. Richting en sterkte kunnen snel veranderen, en niet alle delen van de rotor voelen op enig moment dezelfde krachten. De afwijking van de strakke, constante wind waar ontwerpsoftware mee rekent is vaak groot, met nare gevolgen voor de windturbines. Overbelasting, instabiliteit, tegenvallende prestaties, onverwachte defecten – de oorzaak is meestal gebrek aan vat op de aërodynamica.
Zekerheid over lucht
In 2000 zette het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL) een windturbine met twee rotorbladen en tien meter spanwijdte in de grootste windtunnel ter wereld, die van het NASA Ames Research Center. Zes jaar later coördineerde ECN Wind het Europese project Mexico (Model rotor EXperIments under COntrolled conditions). Een wat kleinere driebladige rotor werd in de grootste Europese windtunnel geplaatst, eigendom van de stichting Duits-Nederlandse Windtunnels (DNW) en gevestigd in de Noordoostpolder.
"Een nieuwe meettechniek bood ons in 2006 meer mogelijkheden," vertelt Schepers. "NREL kon alleen meten aan de turbine zelf. Wij hadden ook particle image velocimetry (PIV)." Kleine zeepbelletjes dreven mee met de luchtstroom. Elke 200 nanoseconden werden ze door lasers geflitst en door twee camera's gefotografeerd. Het resultaat is telkens een gedetailleerde beschrijving van de luchtstroom als een vectorveld van snelheden, een vorm die heel direct aansluit bij de uitkomsten van benaderingen gebaseerd op Navier-Stokes.
Een blad van de Mexico-proefturbine. Er zijn drie verschillende profielen gebruikt, verbonden door twee overgangsgebieden. De drie bladen waren uitgerust met in totaal 148 druksensors.
Prachtige data
Schepers coördineert nu het vervolg van Mexico: MexNext. Zeventien instituten in elf landen werken samen aan de vergelijking van de Mexico-meetgegevens met resultaten van berekeningen. "Mexico heeft prachtige data opgeleverd," zegt Schepers. "Ook over scheefstand tot 45 graden en verschillende instelhoeken van de rotorbladen. We zien nu de resultaten van de eerste analyses. Heel spannend! Ze tonen aan dat CFD-methodes op fundamenteel niveau goed werken. En het wordt ook duidelijk waar eenvoudiger modellen grove fouten maken."
MexNext loopt nog tot 1 juni 2011. Er wordt al gedacht aan vervolgonderzoek; Schepers wil de turbine die in 2006 in de Noordoostpolder werd getest, graag naar de VS sturen voor een serie metingen in de windtunnel van NASA-Ames, om precies te kunnen zien welke invloed de tunnels hebben. Verder is nog niet onderzocht wat het effect is van nieuwe regeltechniek, zoals een snelle aanpassing van de instelhoek per blad. Ook wil Schepers aërodynamische en akoestische metingen combineren, zodat de aërodynamische invloed op de geluidsproductie duidelijker wordt.
Winst per kWh?
Zeker is dat het werk gaat leiden tot betere en toch snelle rekenmethodes. Waar nodig door aanvulling met CFD, waar het kan door toevoeging van nieuwe correctiefactoren. Wat zal dat uiteindelijk opleveren, in winst per kWh? "Het is nog te vroeg om er een getal aan te hangen," zegt Schepers. "Bovendien hangt het ervan af hoe fabrikanten ons werk gaan toepassen. Maar dit is wel de basis. Het succes van de grotere windturbines en complexe regelsystemen waar de ontwerpers nu mee bezig zijn, dat staat of valt met de kwaliteit van de aërodynamische rekenmodellen."
Boven: Een resultaat van particle image velocimetry (PIV), met als onderwerp een tipwervel van de Mexico-proefturbine. Zulke gedetailleerde informatie over de wisselwerking tussen rotorbladen en luchtstroom maakt het straks mogelijk om windturbines veel nauwkeuriger te ontwerpen. Een belangrijk houvast is de limiet van Betz, een aërodynamische grens aan de opbrengst van de ideale windturbine. 59 Procent van de energie in de luchtstroom door de rotorschijf kan uit de wind worden gehaald, meer niet. Het ligt voor de hand om die grens zo dicht mogelijk te benaderen. Maar dat gaat samen met een zware mechanische belasting, waardoor de kosten per kWh kunnen tegenvallen.
Het doel is de laagste prijs voor energie – dat optimum wordt bereikbaar als de ontwerper het gereedschap krijgt om beter en toch snel te kunnen rekenen.
Contact
Gerard Schepers
ECN Windenergie
Tel. 022 456 4894
E-mail: Gerard Schepers
Info
ECN - Wind energy presentations of the Dutch Wind Workshops 2008
A short history of wind turbine aerodynamics, or: From Betz to Better
The MEXICO project: Analysis of yaw measurements and comparison with existing models
Model Experiments in Controlled Conditions
Website www.mexnext.org
Tekst: Steven Bolt
Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/
