Onderzoek heeft tot doel de efficiëntie van windturbines te verbeteren

Een mijlpaal in de geschiedenis van hernieuwbare energie vond plaats in het jaar 2008 toen meer nieuwe capaciteit voor de opwekking van windturbines in de Verenigde Staten werd toegevoegd dan nieuwe kolengestookte elektriciteitsopwekking. De kosten voor het opwekken van stroom met windturbines blijven dalen, maar veel ingenieurs zijn van mening dat het algehele ontwerp van de turbines nog verre van optimaal is.

Nieuwe ideeën voor het verbeteren van de efficiëntie van windturbines werden onlangs gepresenteerd op de bijeenkomst van de American Physical Society Division of Fluid Dynamics in Long Beach, Californië.

Een probleem waarmee de efficiëntie van windenergie wordt geconfronteerd, is de wind zelf, met name de veranderlijkheid ervan. De aerodynamische prestaties van een windturbine zijn het beste bij een constante windstroom, en de efficiëntie van de wieken neemt af wanneer ze worden blootgesteld aan omstandigheden zoals windstoten, turbulente stroming, stroomopwaartse turbinekielzog en windschering.

Nu kan een nieuw type luchtstroomtechnologie binnenkort de efficiëntie van grote windturbines verhogen onder veel verschillende windomstandigheden.

Syracuse University-onderzoekers Guannan Wang, Basman El Hadidi, Jakub Walczak, Mark Glauser en Hiroshi Higuchi testen nieuwe, op intelligente systemen gebaseerde actieve stroomregelingsmethoden met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie via het University of Minnesota Wind Energy Consortium. De aanpak schat de stromingscondities over de bladoppervlakken van oppervlaktemetingen en voert deze informatie vervolgens door naar een intelligente controller om realtime activering op de bladen te implementeren om de luchtstroom te regelen en de algehele efficiëntie van het windturbinesysteem te verhogen. Het werk kan ook overmatig geluid en trillingen verminderen als gevolg van stroomscheiding.

De eerste simulatieresultaten suggereren dat stroomregeling die aan de buitenzijde van het blad buiten de halve straal wordt toegepast, het totale operationele bereik van de windturbine aanzienlijk zou kunnen vergroten met hetzelfde nominale vermogen of het nominale uitgangsvermogen aanzienlijk zou kunnen vergroten voor hetzelfde niveau van operationeel bereik . Het team onderzoekt ook een karakteristieke vleugel in een nieuwe echovrije windtunnelfaciliteit aan de Universiteit van Syracuse om de lift- en weerstandskenmerken van het vleugelprofiel te bepalen met de juiste stroomregeling terwijl ze worden blootgesteld aan grootschalige onstabiele stroming. Daarnaast zullen ook de effecten van stroomregeling op het geluidsspectrum van de windturbine worden beoordeeld en gemeten in de echovrije kamer.

Een ander probleem met windenergie is de weerstand, de weerstand die wordt gevoeld door de turbinebladen terwijl ze de lucht verslaan. Wetenschappers van de Universiteit van Minnesota hebben gekeken naar het weerstandsverminderende effect van het plaatsen van kleine groeven op turbinebladen. De groeven hebben de vorm van driehoekige ribbels die in een coating op het bladoppervlak zijn gekerfd. Ze zijn zo ondiep (tussen 40 en 225 micron) dat ze niet kunnen worden gezien door het menselijk oog, waardoor de mesjes er perfect glad uitzien.

Met behulp van windtunneltests van 2,5-megawatt turbinevleugeloppervlakken (wordt een van de populaire industriestandaarden) en computersimulaties, kijken ze naar de efficiëntie van verschillende groefgeometrieën en aanvalshoeken (hoe de bladen zijn gepositioneerd ten opzichte van de luchtstroom ).

Riblets zoals deze zijn eerder gebruikt, in de zeilen op zeilboten die deelnamen aan de laatste America's Cup-regatta en op het Airbus-vliegtuig, waar ze een luchtweerstandsvermindering van ongeveer 6 procent opleverden. Het ontwerp van windturbinebladen was aanvankelijk sterk analoog aan dat van vliegtuigvleugels. Maar vanwege verschillende technische problemen, zoals turbinebladen met een veel dikkere doorsnede dicht bij de hub en windturbines die te maken hebben met eigenaardige turbulentie nabij de grond, zal de vermindering van de weerstand niet helemaal hetzelfde zijn voor windturbines.

Onderzoekers van de Universiteit van Minnesota, Roger Arndt, Leonardo P. Chamorro en Fotis Sotiropoulos, geloven dat riblets de efficiëntie van windturbines met ongeveer 3 procent zullen verhogen.