Wel eens afgevraagd waarom niet alle windmolens in een windmolenpark draaien? Staat de wind soms verkeerd? Is de energie even niet nodig? Of waait het niet hard genoeg?
Lang niet altijd, zegt onderzoeker Jan-Willem van Wingerden van de Delftse onderzoeksgroep Duwind. Het antwoord is soms heel simpel: de stilstaande windmolens zijn kapot. Bij een flink winderige dag worden de mechanische belastingen op de wieken van de molens te groot. Dan is het buigen of barsten. Helaas voor de windmolen zijn de wieken niet zo flexibel als de takken van een boom en breekt er iets in de turbinekast. Gebeurt dat vaker, dan kan een windmolen zijn voorspelde levensduur van twintig jaar wel vergeten.
Volgens Van Wingerden plaagt dit probleem de windmolenfabrikanten al heel lang. Nieuwe oplossingen zijn welkom, en laten hij en zijn collega’s van Duwind er nou net eentje hebben. Het idee is zelfs genomineerd voor de Simon Stevin Gezelprijs 2009, de grote Nederlandse techniekprijs van STW. Hoewel hij de prijs aan zijn neus voorbij zag gaan, ziet Van Wingerden een mooie toekomst voor de slimme rotor, een windmolenwiek met flappen als een vliegtuigroer.
Slimme rotors en flappende wieken
Dit zijn de flappen waar Van Wingerden onderzoek naar doet. Op het uiteinde van de op zijn kant staande wiek zitten twee bewegende flapjes die worden aangestuurd door een computer. Naarmate de richting en de kracht van de wind verandert, verandert ook de frequentie waarmee de flapjes heen en weer bewegen.
In het bovenstaande filmpje bewegen de flapjes heel langzaam, maar ze kunnen makkelijk twaalf keer per seconde heen en weer gaan. Dit is ook wel nodig bij een harde en onvoorspelbare wind. Het effect zie je in dit filmpje:
In het filmpje zie je de rotor van de zijkant. De bewegende flapjes zitten aan de bovenkant van de rotor en wijzen naar boven. De flapjes gaan steeds aan en uit zodat het effect duidelijk wordt.
In het filmpje krijgt de rotor een windsnelheid van heftige dertig meter per seconde te verduren. Als de flappen uit staan, trilt de rotor als een malle. Niet zo gek dat windmolens bij sterke wind weleens kapot gaan. Maar zie het effect als de flapjes bewegen: de rotor staat nu bijna stil.
Windkracht 11
Hoe kunnen twee trillende flapjes een storm van windkracht 11 reduceren tot een briesje? Dat heeft te maken met de manier waarop de wind over een rotor beweegt. Als een windvlaag tegen een rotor botst, breekt de luchtstroom in tweeën. Dat is goed te zien op het onderstaande plaatje, waar je een rotor van de zijkant ziet. De twee luchtstromen langs beide kanten van de rotor zijn niet even sterk, zodat de luchtdruk aan één kant net iets groter is. De luchtdruk verandert ook nog eens heel snel. Het effect: de rotor gaat trillen.
De flapjes lossen dit op door ook met de luchtdruk te spelen. Ze compenseren het verschil in luchtdruk dat de wind veroorzaakt. Door snel mee te veranderen met de wind kunnen de bewegende flapjes het trillen tegengaan en gaat de windmolen een stuk langer mee.
Spanning
Om de flapjes op de juiste manier te laten bewegen moet de computer wel weten hoe hard het waait. Deze twee functies, het meten en het flapperen, werken allebei met dezelfde techniek: de zogeheten piëzo-actuatoren. Dat zijn apparaatjes die vervormen als er een elektrische spanning overheen komt.
Maar het werkt ook andersom: als een piëzo-actuator inkrimpt geeft het zelf een elektrisch spanninkje af. In de slimme rotor krimpt de piëzo-actuator doordat het blad van de wiek trilt. Zo meet de slimme rotor de windkracht.
Onverwachte situaties
Van Wingerden berekende dat de slimme rotor de belasting op windmolens zo sterk verlaagt dat de rotors tien procent langer gemaakt kunnen worden. En een toename van de lengte betekent kwadratisch meer opgewekte energie. Dus de windmolenfabrikanten zit er waarschijnlijk met hun neus bovenop. Toch?
Niet helemaal. De fabrikanten zoeken momenteel nog uit waarom hun huidige windmolens precies stuk gaan. Dus totdat het huidige model robuuster is, gaan fabrikanten niet hals over kop overschakelen op een nieuw model. Volgens Van Wingerden kan dat makkelijk tien tot twintig jaar duren.
Maar dat is niet zo’n probleem. Een technologie die zich aanpast aan onvoorspelbare condities als windsnelheid moet grondig onderzocht worden voordat het op de markt kan komen. Duwind zit met de slimme rotor pas in de eerste testfase in de Open Straal windtunnel van de TU Delft. Rotors van nog geen twee meter breed draaien hier op een miniatuurwindmolen, en de opgewekte kracht is nog niet eens een kilowatt. Ter vergelijking: een echte windmolen voor energieproductie levert meer dan vijf megawatt aan elektriciteit.
De plannen van Duwind voor de slimme rotor zijn dan ook voor de lange termijn. Met een beetje geluk en sponsoring van STW hoopt Van Wingerden halverwege 2010 te beginnen met uitgebreidere tests. Dat betekent meer verschillende windsnelheden en andere onverwachte situaties. Ook gaan de onderzoekers nadenken over opschaling. Misschien worden de piëzo-actuatoren dan vervangen door geheugenmetaal dat van vorm verandert bij verhitting en afkoeling.
Pas na vier jaar van dit soort tests denkt Van Wingerden klaar te zijn voor het grote werk. Dan wil hij met de slimme rotor naar het windmolenpark van ECN in Noord-Holland. Hier worden de flappen getest op rotors van zeven meter lang. En dat is nog steeds niet op ware grootte, want deze testwindmolens leveren slechts een paar kilowatt aan energie. Nadat deze een paar jaar hebben gedraaid is het misschien tijd voor het grote werk.
De droom van de onderzoeksgroep is natuurlijk een eigen testwindmolen langs de A13. De turbine zou twee megawatt op moeten wekken en gebruikt kunnen worden om ideeën als de slimme rotor te testen. Maar ondanks dat Duwind de grootste onderzoeksgroep van Europa is op het gebied van windenergie, zit een eigen windmolen er nog niet in. Daarvoor hebben we een Nederlandse windmolenfabrikant nodig, zegt Van Wingerden.
Trots
Zoveel jaar werk om zo’n kleine aanpassing te maken… laat een onderzoeker zich daardoor niet uit het veld slaan? Van Wingerden in ieder geval niet. Nadat we de windtunnel in zijn geweest om de rotor van dichtbij te bekijken, werpt hij een tevreden blik op de windmolen voordat hij de deur achter zich sluit. Hij ziet zichzelf nog wel wat jaartjes aan windmolens werken.
“Er is nog zo veel te testen aan de slimme rotor. Deze groep heeft daarvoor de goede competenties: elektrotechniek voor de turbine, regeltechniek, offshore, aerodynamica en technische bestuurskunde om nieuwe projecten van de grond te krijgen.” Hij lacht: “Hiermee zouden we onze eigen turbine kunnen bouwen!” Met zichtbare trots vertelt hij verder over de groep. “Duwind trekt elk jaar veel nieuwe studenten en buitenlandse promovendi. Mensen vinden het belangrijk om aan wind te werken. Ik in ieder geval wel. Wind hoort bij Nederland.”