Windturbines, volop in beweging

Windturbines in zee staan op constructies op enorme stalen palen die zo’n 35 meter diep in de zeebodem worden geheid. ECN part of TNO heeft een aparte onderzoekslijn voor onder meer de verbetering van het ontwerp van deze zogenoemde monopiles.

Sinds de jaren zeventig van de vorige eeuw wordt er druk geëxperimenteerd met het opwekken van windenergie. De conventionele windturbine, met horizontale as, die als beste uit de bus kwam, staat ook ontwerptechnisch echter niet stil. ECN part of TNO is continu bezig met innovaties die de turbine beter en kostenefficiënter maken.

Bij het ontwerp en doorontwikkeling van windturbines komt veel kijken. Er is veel kennis nodig uit uiteenlopende disciplines, in het bijzonder de aerodynamica, aero-elasticiteit en control. Alle drie zijn kernactiviteiten van ECN part of TNO.

Een hoofduitdaging is momenteel om de rotor van de windturbines groter te maken. De bladen moeten als het ware langer worden ontworpen. Dat lijkt eenvoudig, maar dat is het niet. Als het blad wordt opgeschaald – dus groter wordt – wordt het volgens de zogenoemde square cube law tot de derde macht zwaarder. En massa heeft gevolgen voor de kosten, een groter blad wordt in bijna alle gevallen kostbaarder.

Zwaarder en toch goedkoper

Toch is dit de moeite waard vooral bij toepassing op zee, omdat de fundering en het aanleggen daarvan kostbare onderdelen van het totale kostenplaatje zijn. Windturbines kunnen op een paal of op een drijver in zee worden geplaatst, maar die zijn bijzonder prijzig. Het loont daarom om zoveel mogelijk op een fundering te plaatsen om uiteindelijk – ondanks toegenomen kosten op onderdelen – goedkoper energie op te wekken.

Aan de massa zitten echter mechanische limieten: de rotor kan niet onbeperkt zwaarder worden gemaakt. Worden de bladen te zwaar, dan werkt dit door op de hele turbine, ook de mast en de fundatie worden dan duurder. Een uitkomst bieden slimme innovaties op het gebied van aerodynamica en control die de belasting en daarmee de massa inperken. Een voorbeeld is het gebruik van speciale meetapparatuur (LiDARs), die windvlagen van tevoren ziet aankomen en de rotor daarop laat anticiperen. Maar te denken valt ook aan de ontwikkeling van andere concepten om windenergie op te wekken, zoals een verticale-aswindmolen of een vlieger.

Kerndisciplines

Belangrijke disciplines zijn aerodynamica en daarnaast aero-elasticiteit. In de aerodynamica wordt de kracht voorspeld die de wind uitoefent op de bladen van de windturbine. Bij aero-elasticiteit gaat het om de interactie van de aerodynamica met de vervorming van de bladen. De krachten die de wind uitoefent op de rotor hebben effect op de vorm: de bladen kunnen doorbuigen en verdraaien, en gaan trillen. Als er te veel trilling ontstaat, gaat de windturbine kapot.

Een derde belangrijke discipline zijn de zogenoemde controllers, de regelaars. Daarmee worden de bladhoek en rotatiesnelheid ingesteld, om optimaal de wind te kunnen benutten en belastingen te reduceren. Omdat bij metingen in het veld de wind ter plaatse op verschillende tijdstippen sterk varieert, heeft ECN part of TNO samen met onder andere de TU Delft, onderzoeken uitgevoerd in windtunnels. In die windtunnels kunnen de werking van de wind en de luchtkrachten gecontroleerd worden onderzocht.

Naar grootschalige opwekking van windstroom

Dr.ir. Koen Boorsma

Contact

Dr.ir. Koen Boorsma

  • wind energy technology
E-mail

VOLG TNO OP SOCIAL MEDIA

blijf op de hoogte van ons laatste nieuws, vacatures en activiteiten

Wij gebruiken anonieme cookies om het gebruik van onze site te verbeteren. Ons privacystatement is aangepast aan de nieuwe privacywetgeving in de EU.