dr.ir. Jan-Willem van Wingerden.

technologiestichting STW

Als hij na zijn afstuderen promotieonderzoek wil gaan doen, blijkt er aan zijn alma mater interessant onderzoek plaats te vinden naar trillingen in offshore windturbines. Bij dit project is het de opgave om een manier te vinden om die trillingen met een elektronische regeling te verminderen. Het principe van dit soort actieve regelingen is vergelijkbaar met de flaps van een vliegtuigvleugel. Die flaps zorgen ervoor dat de oppervlakte van een vleugel of het vleugelprofiel wordt veranderd, waardoor de liftkracht groter of kleiner wordt. Wanneer je dit principe toepast op een windmolenvleugel, kan dat trillen en zwiepen van de vleugel tegengaan. De vleugel van een windmolen kan aan de tip tot wel een meter heen en weer zwiepen, en dat bij een snelheid van zo’n honderd kilometer per uur. Dat levert hoge materiaalbelastingen op.

Aan het begin van het onderzoek stond de haalbaarheid van een automatische regeling voorop. Zou het überhaupt mogelijk zijn om snel genoeg te meten hoever een vleugel uitzwiept, te berekenen hoe de stand van de flaps moet zijn, en dan de flaps in de goede stand zetten?

Zwiepende vleugels

In samenwerking met de afdeling lucht- en ruimtevaart van de TU Delft werd een schaalmodel van 1:100 gebouwd. De vleugel kreeg dicht bij de as speciale sensoren opgeplakt – piëzokristallen die op rekveranderingen reageren. Aan het uiteinde van de vleugel werden een soort miniflaps aangebracht: blokjes ongeveer zo groot als een pakje sigaretten, waarvan de stand snel kan worden aangepast met de sterkte van het ingangssignaal.

Jan-Willem van Wingerden bij het schaalmodel waarvan de bladen gedemonteerd zijn. De bladen zijn gebouwd door Teun Hulkamp, die in Europees verband aan dit project werkt. De molen zelf is door de interne werkplaats van de afdeling gebouwd.

technologiestichting STW

Van Wingerden: “We begonnen met een stilstaande vleugel in de windtunnel. Daar zag je mooi dat de tip bij toenemende windsnelheid een paar keer per seconde een centimeter heen en weer begon te zwiepen. Die dynamische uitslag wil je precies meten. Dat de vleugel ook statisch doorbuigt als er winddruk op komt te staan, is niet zo erg.”

Toen eenmaal het zwiepen nauwkeurig met de computer in kaart was gebracht, begon het eigenlijke werk. Er moest een formule gevonden worden waarmee je de meetwaarden van de vleugel in een fractie van een seconde kunt vertalen naar een stand van de flaps die het zwiepen corrigeert. Daarvoor waren nog geen bruikbare modellen beschikbaar, dus die moest Van Wingerden zelf ontwikkelen. Hij besloot om zijn rekenmodel direct uit de meetgegevens af te leiden, en niet eerst te proberen alle ingangswaarden in natuurkundige wetten te formuleren om daarna daaruit wiskundige modellen op te stellen. Dat had een heel praktische reden: hoever een vleugel uitzwiept, wordt door te veel parameters bepaald; je kunt die niet allemaal van tevoren afleiden uit natuurkundige wetten. Het gaat daarbij om grootheden zoals de materiaalstijfheid, de windsnelheid en de rotorsnelheid.

technologiestichting STW

Van Wingerden: “Al die effecten zijn niet-lineair, dat wil zeggen dat als bijvoorbeeld de windsnelheid twee keer zo groot wordt, het zwiepen niet ook twee keer zo groot hoeft te worden. Als het sterker gaat waaien, is de stijfheid van een vleugel bijvoorbeeld groter, en hij reageert dan ook anders op de krachten. Die niet-lineariteit, gecombineerd met voortdurende schommelingen in het systeem, maakt de wiskunde om modellen uit data te schatten complex; alle vergelijkingen worden heel groot. Daarin structuur aan te brengen is de werkelijke doorbraak. Dat betekent in de praktijk vaak: staren naar formules, schetsen op papier, de formules controleren in de computer en op een gegeven moment ontdekken dat er een bepaalde logica in voorkomt.”

Het kwartje valt

Aan het eind van het tweede jaar viel het kwartje. Het lukte toen voor het eerst om een formule te vinden waarmee de trillingen in een stilstaand blad in de windtunnel zich vrij goed lieten wegregelen. Het resultaat was twee publicaties in gerenommeerde vaktijdschriften voor regeltechniek. Van Wingerden: “Daar ben ik trots op. Ik krijg vaak het verzoek van mensen om die algoritmen te mogen toepassen.”

technologiestichting STW

Na deze proeven met een stilstaande vleugel was het de uitdaging om hetzelfde principe toe te passen op een ronddraaiende vleugel. Weer werd een model gebouwd, maar dit keer lieten de experimenten langer op zich wachten, omdat de nieuwe windtunnel nog niet klaar was. Vandaar dat Van Wingerden na zijn promotie op een onderzoekspositie terecht is gekomen waarbij hij zijn promotiewerk direct kan voortzetten. In zijn nieuwe werk kan hij de experimenten met een roterende vleugel doen.

Daarnaast onderzoekt Van Wingerden hoe de flapjes robuuster gemaakt kunnen worden. Bij de afdeling lucht- en ruimtevaart is daarvoor nu een groot nieuw project opgestart in Europees verband. Van Wingerden: “Ik vind het mooi dat de kennis uit mijn onderzoek direct toegepast kan worden. Een van de gebruikers is Vestas, een van de grootste bouwers van windmolens ter wereld. Die waren zo enthousiast over mijn werk, dat ze nu een nieuwe promotieplaats sponsoren, die ik dus begeleid.”

Het promotieonderzoek van Jan Willem van Wingerden is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van STW.