ECN test windturbines

Petten, 27 augustus 1999

De mens is pas in deze eeuw gaan vliegen. Hoewel wieken natuurlijk al eeuwen op windmolens draaien, is het technisch-wetenschappelijk onderzoek aan de luchtstromen rond vleugels, propellers, wieken en turbinebladen betrekkelijk jong. Een typische eigenschap van vleugelprofielen bleek 'overtrek' of 'stall'. Als de hoek tussen profiel en luchtstroom te groot wordt, volgt de stroom niet langer het vleugelprofiel.

Luchtstroom vleugelprofiel

Omdat de luchtstroom dan minder opwaartse krachten op het profiel uitoefent en dat sterk remt, is er in de luchtvaart weinig reden geweest om het verschijnsel te bestuderen. Gevechtshelikopters hebben er bij extreme manoeuvres last van maar onderzoek daarnaar is doorgaans geheim. Omdat harde wind maar zelden voorkomt, is het niet handig windturbines zo te bouwen dat ze dan pas hun maximale vermogen leveren. Dat moeten ze opwekken bij windkrachten iets boven het gemiddelde. Om te voorkomen dat zulke windturbines bij sterke wind over hun toeren raken of kapot gaan, proberen ontwerpers ze zo te maken dat er bij sterke wind overtrek optreedt op de bladen.

Het probleem is dat overtrek min of meer 'stochastisch' is, een toevalsproces waarop veel grootheden een onbekende invloed hebben. Nu eens treedt het te vroeg op en bereikt een windturbine zijn maximale vermogen niet, dan weer te laat als hij te veel vermogen opneemt. Soms ontstaat overtrek zonder aanwijsbare reden maar met groot verlies aan vermogen bij een keurig draaiende turbine. Het loont dan ook de moeite te bepalen wanneer overtrek op een windturbine plaatsvindt. Dat kan door de luchtstroom op de bladen zichtbaar te maken.

Stall flag

ECN-medewerker Corten heeft met steun van NOVEM een degelijke, goedkope en snelle methode ontwikkeld om het moment van overtrek op de bladen van een windturbine te bepalen. De basis is de 'stall flag', een scharnierend flapje voor een reflector dat op de bladen van windturbines kan worden geplakt en het daarop een maand uithoudt zonder de werking van de turbine te beïnvloeden of onder de enorme krachten te bezwijken. Vóór een meting worden op de turbine om en nabij honderdvijftig stall flags geplakt. Bij het vallen van de nacht wordt de draaiende turbine beschenen en met een digitale camera gefilmd. Treedt ergens overtrek op, dan keert de stromingsrichting van de lucht plaatselijk om waardoor de klepjes van de stall flags daar omklappen en de reflectoren zichtbaar worden. Ze trekken een lichtend spoor. Corten ontwikkelde een computerprogramma dat de gemaakte filmbeelden analyseert.

Meetopstelling

Voor het eerst in de geschiedenis zijn zo plaats, tijdstip en ontwikkeling van overtrek op de bladen van een windturbine vast te stellen en problemen ermee gericht op te lossen.

Plaats, tijdstip en ontwikkeling van overtrek

Kleine aanpassingen van een windturbine leiden al gauw tot een rendementsverhoging van enkele procenten. Bij de huidige produktieaantallen en vermogens van windturbines levert dat tientallen miljoenen guldens op.

Interview met Gustave Corten: 'Niet langer tasten in het duister bij overtrek'.

"Met een zekere regelmaat worden er op conferenties en in commissies lijstjes gemaakt van knelpunten met windturbines. Veel daarvan hebben met een verschijnsel te maken dat overtrek heet. Er zijn veel projecten besteed aan de oplossing van problemen maar de lading eindrapporten heeft geen eind kunnen maken aan de onbeheersbaarheid van het fenomeen. Bij gebrek aan een methode om in de praktijk te bepalen waar en wanneer op de bladen van een windturbine overtrek optreedt, bleef het tasten in het duister.

Als lucht keurig de kromming naar beneden van een enigszins hellende vleugel volgt, zorgt die voor lift, een opwaartse kracht. Maar helt de vleugel te veel, dan volgt de lucht de kromming niet meer. De lift neemt af en de weerstand toe. Dat is overtrek. Het treedt bijvoorbeeld op als een vliegtuig te veel achterover hangt bij een te lage snelheid. Piloten corrigeren dan want in de luchtvaart is overtrek gevaarlijk. Maar bij windturbines is overtrek soms juist gewenst. Ongeveer de helft ervan benut overtrek om bij harde wind niet al te veel vermogen op te nemen. Overtrek moet plaatsvinden op momenten en plaatsen die de ontwerper bedacht heeft. Dat kan niet als niemand precies weet hoe overtrek in zijn werk gaat.

Toen ik in 1993 in Delft met mijn onderzoek begon, werden de luchtstromen op turbinebladen bestudeerd met draadjes erop of apparatuur erin. Maar de draadjes wapperen altijd, overtrek of niet. Ze zijn op een grote windturbine bovendien slecht te zien. En door het ronddraaien van de bladen staan ze sowieso altijd naar buiten. Apparatuur in de bladen kwam vaak kapot in de tip terecht of raakte door bliksem ontregeld. Zulke pech kost veel geld. En vooral veel tijd.

Stall flags op windturbine

Ik begon te zinnen op andere manieren om de luchtstromen over een turbineblad te kunnen meten. De bouvier van mijn ouders bracht me op een idee. Als die op het strand in de wind stond, sloegen hier en daar zijn haren om. Het wit van zijn huid zorgde dan voor een goed zichtbare scheiding of kruin in zijn donkere vacht. Zo'n kleurscheiding als gevolg van een luchtstroom wilde ik op het oppervlak van een turbineblad ook voor elkaar zien te krijgen. Het idee kreeg in Delft weinig steun maar ECN zag wel wat in de eerste resultaten.

Gustave Corten

Het eindresultaat is een 'stall flag', een scharnierend klepje dat over een reflector valt en op de bladen van een turbine kan worden geplakt. Met zo'n honderdvijftig flags op een windturbine worden de luchtstromen goed zichtbaar. Een digitale consumentencamera stuurt de gegevens naar een pc. Binnen een maand is haarfijn te rapporteren of de overtrek volgens verwachting verloopt. Zon test kost pakweg een ton maar kan miljoenen opleveren. Daarom heeft ECN op de stall flag octrooi aangevraagd."

Deel: ' ECN test windturbines '




Lees ook