‘Ontwerp windturbines kan 150 keer sneller’

De opbrengst van een windturbine hangt rechtstreeks af van de diameter van de rotorbladen, die daarom steeds groter worden. De composietsector werkt om deze reden op diverse fronten aan het lichter maken van rotorbladen. Een goede voorspelling van de energieopbrengst en van de krachten die op de constructie van een windturbine werken, is in de ontwerpfase essentieel. Fabrikanten willen deze opbrengst het liefst zo snel en goed mogelijk in kaart brengen.

Honderd jaar oude methode

Om dit te berekenen, is een nauwkeurig voorspelling van de stroming rond de rotorbladen nodig. De bestaande computermodellen duren vaak maanden lang en kosten veel rekenkracht. Bovendien vraagt de interpretatie van de uitkomsten tijd en expertise die vaak niet in een industriële ontwerpomgeving aanwezig is. De alternatieven zijn divers: vereenvoudigde methoden die vlak na de Eerste Wereldoorlog zijn bedacht in Duitsland en dus nog dateren uit de jaren twintig van de vorige eeuw.

Vliegtuigmethode voor windturbines

Van Garrel toont in zijn proefschrift aan dat er nog een optie is. "De panelenmethode, geïntroduceerd voor vliegtuigen in de jaren zestig maar in de loop der tijd verwaarloosd, kan uitstekend van pas komen bij het ontwerpen van windturbines. Die methode moet dan gecombineerd worden met een zeer efficiënte rekenmethode. Ik wilde iets bedenken dat tussen de honderd jaar oude methode en de intensieve methode in zit. Wel de fysica modelleren, maar niet zo traag. Liefst in één dag."

Honderdvijftig keer sneller

Bij de panelenmethode is slechts een beschrijving van het oppervlak van de windturbine nodig. "Daardoor wordt het mogelijk om snel nieuwe bladontwerpen te definiëren en numerieke simulaties uit te voeren", vertelt Van Garrel. De in zijn promotieonderzoek ontwikkelde rekenmethode is honderdvijftig keer sneller dan de conventionele panelenmethode. "In mijn methode modelleer je wel de stroming rond het rotorblad maar verwaarloos je het effect van viscositeit (stroperigheid lucht). Ik verkrijg echter wel alle info over de krachten op het rotorblad en aerodynamica, zodat een beter bladontwerp mogelijk wordt."

Van Garrel vergeleek zijn geëvolueerde panelenmethode met de resultaten van drukmetingen aan een driebladige windturbine. Dat deed hij in een windtunnel van DNW in de Noordoostpolder. Ook vergeleek hij zijn methode met een nauwkeurige, maar qua berekening kostbare simulatiemethode van het NLR. En de verschillen zijn nihil. Van Garrel voerde tevens experimenten uit in de windtunnel van de Universiteit Twente.

Complexiteit van de stroming; visualisatie van het oprollen van het zog bij de rotorbladen van een windturbine onder een kruihoek van dertig graden.

Arne van Garrel

Arne Van Garrel kreeg de eerste ideeën over zijn onderzoek in 2009. Hij was toen nog werkzaam bij het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN).  Van Garrel verzorgt samen met Venner de colleges Windenergie binnen de opleidingen Mechanical Engineering (werktuigbouwkunde) en Sustainable Energy Technology. 

(bron: engineersonline.nl)