Resultaten en bevindingen van project
Grenslaagafzuiging voor windturbinebladen Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 2005 en 2011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE).
Datum Status
November 2009 Definitief
Actiflow B.V. in opdracht van Agentschap NL
Colofon
Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon
Grenslaagafzuiging voor windturbinebladen Energie Onderzoek Subsidie Nieuw Energie Onderzoek NEOT06002 Actiflow B.V.
Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.
Eindrapport EOS NEO Onderzoeksproject
Actiflow BV Zinkstraat 22 4823 AD Breda Netherlands Tel + 31 (0) 765 422 220 Fax + 31 (0) 765 411 788
[email protected] www.actiflow.com ABN AMRO: 49.34.30.113 BTW/VAT: NL814178285B01 KvK NL: 27274083
1 Gegevens project − − − −
Projectnummer: Projecttitel: Penvoerder en medeaanvragers: Projectperiode:
NEOT06002 Grenslaagafzuiging voor windturbinebladen Actiflow B.V. is penvoerder en enige uitvoerder 01/04/2009 – 01/04/2010 (volgens correspondentie met kenmerk NEOT09000085 d.d 11/11/2009)
Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken; Besluit Energie Onderzoek Subsidie: lange termijn.
2 Samenvatting De energie die geproduceerd wordt door een windturbine is een directe functie van de rotordiameter. Windturbinebladen moeten dus steeds groter worden om goedkopere windenergie te kunnen aanbieden. Op dit moment is deze trend al duidelijk zichtbaar bij offshore windturbines. Momenteel bereikt men echter grenzen aan wat fysiek mogelijk is met de huidige windturbinebladen. De energie die in principe door een turbine kan opgevangen worden uit de wind, wordt op dit moment beperkt door het bereiken van structurele limieten. Door steeds wisselende weersomstandigheden en windcondities wordt de efficiëntie en de levensduur van grote windturbines sterk gereduceerd. Door het feit dat de wind nooit constant is werken er steeds wisselende krachten op het windturbineblad en zijn er steeds wisselde spanningen in het bladmateriaal. Om dit op te vangen vereisen langere bladen een erg hoge stijfheid en erg veel materiaal, hetgeen de kostprijs en het gewicht van het blad exponentieel doet toenemen. Om dit probleem op te lossen heeft Actiflow het afgelopen jaar een nieuw turbineblad ontwikkeld dat gemiddeld 20% dikker is dan conventionele bladen – hetgeen erg veel structurele voordelen oplevert – en dat toch minstens even goede aerodynamische prestaties behaalt als conventionele bladen. De methode om dit te realiseren is de toepassing van passieve luchtafzuiging op het blad. Het is algemeen bekend dat dikkere bladen vele constructieve voordelen hebben. Een dikker blad is stijver en kan lichter en goedkoper uitgevoerd worden. Het nieuwe bladontwerp van Actiflow is 18% goedkoper dan een conventioneel windturbineblad. Tegelijk is het blad 9% lichter. Het belangrijkste aspect is echter de kosten, want dankzij de techniek van Actiflow kan de prijs van windenergie dalen en wordt het mogelijk om nog grotere turbinebladen te produceren tegen aanvaardbare kosten.
– Pagina 1/7 –
Het probleem met dikkere bladen is echter dat ze slechtere aerodynamische prestaties leveren, waardoor de energieproductie van de turbine daalt. Dit probleem heeft Actiflow opgelost door grenslaagafzuiging toe te passen op het blad. Dit komt erop neer dat een deel van het windturbineblad wordt vervangen door een poreus materiaal en dat er dankzij centrifugaaleffecten lucht in het blad wordt gezogen, door het poreuze materiaal. Dit principe is tijdens het afgelopen project aangetoond via een centrifugaaltest. Door het wegzuigen van een kleine hoeveelheid lucht aan het bladoppervlak wordt de luchtstroming over het windturbineblad beïnvloed waardoor de aerodynamische prestaties van het dikkere blad verbeteren. Op deze manier kan het dikkere blad dezelfde hoeveelheid energie opwekken als een conventioneel blad. Dit principe is tijdens het project bewezen met een windtunneltest bij de TU Delft. Tenslotte is er ook een test uitgevoerd om de vervuiling van het poreuze materiaal te onderzoeken. Uit een eerste test blijkt dat het materiaal ongeveer 5% porositeit verliest op 10 maanden tijd. Verdere testen op een turbine in het veld zijn nodig om meer informatie over dit onderwerp te verzamelen. Verder onderzoek is dus noodzakelijk. Uit gesprekken met de industrie is gebleken dat er als volgende stap een echt testblad moet gebouwd en getest worden. Dit werk zal in samenwerking gebeuren met de TU Delft en eventueel ook met enkele marktpartijen. De gesprekken voor de opzet van deze ontwikkelingsfase lopen op dit moment. Voor deze nieuwe fase zal Actiflow opnieuw een subsidieaanvraag indienen voor een vervolg als EOS KTO onderzoeksproject.
3 Inleiding De energie die geproduceerd wordt door een windturbine is een directe functie van de rotordiameter. Windturbinebladen moeten dus steeds groter worden om goedkopere windenergie te kunnen aanbieden. Op dit moment is deze trend al duidelijk zichtbaar bij offshore windturbines. Momenteel bereikt men echter grenzen aan wat fysiek mogelijk is met de huidige windturbinebladen. De energie die in principe door een turbine kan opgevangen worden uit de wind, wordt op dit moment beperkt door het bereiken van structurele limieten. Door steeds wisselende weersomstandigheden en windcondities wordt de efficiëntie en de levensduur van Wisselende windbelasting grote windturbines sterk gereduceerd. Door het feit dat de wind nooit constant is werken er steeds wisselende krachten op het windturbineblad en zijn er steeds wisselde spanningen in het bladmateriaal. Om dit op te vangen vereisen langere bladen een erg hoge stijfheid en erg veel materiaal, hetgeen de kostprijs en het gewicht van het blad exponentieel doet toenemen. Om dit probleem op te lossen kan men denken aan het toepassen van actieve controlesystemen om de wisselende aerodynamische krachten op het blad te controleren en reduceren. Echter, een actief controlesysteem betekent extra complexiteit, extra kosten en er is het gevaar dat het controlesysteem faalt. Als alternatief heeft Actiflow het afgelopen jaar een nieuw turbineblad ontwikkeld dat dikker is dan conventionele bladen – hetgeen erg veel structurele voordelen oplevert – en dat toch minstens even goede aerodynamische prestaties behaalt als conventionele bladen. De methode om dit te realiseren is de toepassing van passieve luchtafzuiging op het blad.
– Pagina 2/7 –
Tijdens de voorbije haalbaarheidsstudie zijn de verschillende mogelijkheden voor de toepassing van grenslaagafzuiging op windturbinebladen onderzocht. Het meest interessante concept bleek de toepassing van afzuiging aan de achterrand van het blad, in combinatie met een verdikking van het blad. Het is algemeen bekend dat dikkere bladen vele constructieve structurele voordelen hebben. Een dikker blad is stijver en kan lichter en goedkoper uitgevoerd worden. Het probleem met dikkere bladen is echter dat ze slechtere aerodynamische prestaties leveren, waardoor de energieproductie van de turbine daalt. Dit is de reden waarom dikkere bladen niet worden toegepast. Dit probleem kan Actiflow nu oplossen door grenslaagafzuiging toe te passen op het blad. Dit komt erop neer dat een deel van het windturbineblad wordt vervangen door een poreus materiaal. Via een kamerstructuur binnen in het blad wordt lucht in het blad gezogen, door het poreuze materiaal.
Verdikking van de bladprofielen
Aanliggende stroming door afzuiging, Losgelaten stroming zonder afzuiging
De onderdruk in het blad voor de afzuiging wordt passief opgewekt via de centrifugaalkrachten ten gevolge van de bladrotatie. Namelijk, als de tip van het blad wordt geopend, dan wordt de aanwezige lucht in het blad naar buiten geslingerd, waardoor een onderdruk in het blad ontstaat. Door het wegzuigen van een kleine hoeveelheid lucht aan het bladoppervlak wordt de luchtstroming over het windturbineblad beïnvloed waardoor de aerodynamische prestaties van het dikkere blad verbeteren. Op deze manier kan het dikkere blad dezelfde hoeveelheid energie opwekken als een conventioneel blad. Volgens de berekeningen uitgevoerd tijdens de haalbaarheidsstudie kan er door het centrifugaal effect voldoende onderdruk opgebouwd worden in een blad om de benodigde luchtafzuiging te garanderen. Verder blijkt uit de aerodynamische simulaties dat het dikkere profiel met afzuiging dezelfde aerodynamische prestaties behaald als het referentieblad.
Afzuiging door tiprotatie
– Pagina 3/7 –
Het hierboven beschreven concept geeft nog meer mogelijkheden. Wanneer er bij sterke windvlagen de behoefte is om de aerodynamische krachten op een blad te reduceren, dan kan er door het poreuze materiaal ook lucht uitgeblazen worden. Op die manier wordt de luchtstroming over het windturbineblad verstoord en nemen de aerodynamische krachten af. Deze luchtuitblazing ontstaat wanneer er aan de rotorkop een klep wordt geopend die lucht toelaat om in het blad te stromen.
4 Doelstelling Het doel van het onderzoeksproject was om een nieuw windturbineblad te ontwerpen dat 20% stijver is dan een conventioneel blad, dat 20% minder weegt en dat 20% minder kost. Hierdoor kan de prijs van windenergie dalen en wordt het mogelijk om nog grotere turbinebladen te produceren tegen aanvaardbare kosten. Ook dit zorgt er weer voor dat de prijs van groene energie kan dalen. Voor het ontwerp van een nieuw blad werd vertrokken van een 5 MWatt referentieturbine ontwikkeld door NREL, het Amerikaanse windenergie onderzoeksinstituut. Deze turbine is specifiek ontwikkeld om te dienen als basis voor internationale onderzoeksprojecten zoals het EU Upwind project. Aangezien het voor de onderzoekswereld quasi onmogelijk is om alle technische gegevens van een turbine uit de industrie te krijgen was er een sterke behoefte om een referentie te hebben voor een “grote” turbine. Voor het ontwerp zijn inputs van verschillende grote fabrikanten gebruikt om tot een representatieve turbine te komen die niet confidentieel is en dus door iedereen kan gebruikt worden. De turbine bestaat dus enkel op papier, maar ontwerpaanpassingen kunnen wel makkelijk vergeleken worden met het origineel, aangezien de referentieturbine erg uitvoerig gedocumenteerd is. Het ontwerp van het blad door Actiflow bestond uit 3 onderdelen: − Bepaling van een nieuwe, dikkere externe bladvorm; − Dimensioneren van het interne stromingskanaal; − Analyseren van de structurele eigenschappen van de nieuwe bladvorm. Dit ontwerp moest gebeuren via softwarepakketten die de interactie tussen de aerodynamische en structurele aspecten van een windturbineblad in rekening nemen. Om de werking van de verschillende technieken die deel uitmaken van het ontwerp verder te bewijzen moest er een windtunneltest, een materiaaltest en een rotatietest uitgevoerd worden. Uit contacten met de industrie is gebleken dat het noodzakelijk is om de werking van het concept niet enkel via computersimulaties aan te tonen maar ook via werkelijke testen. Pas dan hebben windturbinefabrikanten voldoende bewijs om financiële middelen vrij te maken om het project van Actiflow verder te ondersteunen. Een bijkomstig doel van dit onderzoeksproject (< 10% van de projecturen) was het voeren van verschillende gesprekken met turbinefabrikanten. Via deze gesprekken heeft Actiflow relevante informatie verzameld als input voor het bladontwerp, en heeft Actiflow ook een overzicht gekregen van de samenwerkingsmogelijkheden voor de volgende ontwikkelingsfase. Actiflow heeft op dit moment concrete interesse van verschillende grote spelers in de (voornamelijk Europese) windenergie-industrie: Vestas, General Electric, Suzlon, LM Glasfiber, en Repower. Als concrete deliverables van deze onderzoeksfase moest een eerste bladontwerp klaar zijn, waarin de aerodynamische en structurele prestaties, en de opbouw van het blad beschreven staan. Verder moesten er testresultaten beschikbaar zijn die de aerodynamische prestaties van het dikkere blad bewijzen. – Pagina 4/7 –
5 Resultaten De externe bladvorm van de 5MWatt referentieturbine bestaat uit 5 verschillende profielen. De verschillende profielen zijn herontworpen zodat het blad tussen 20% en 50% van de spanwijdte gemiddeld 20% dikker is geworden. De profielen dicht bij de wortel hebben een verdikking van ongeveer 30%, dichter bij de tip bedraagt de verdikking ongeveer 10%. Dankzij de afzuiging toegepast op deze dikkere profielen zijn de aerodynamische eigenschappen bij benadering gelijk aan die van de oorspronkelijke profielen. De tip van het blad wordt niet veranderd aangezien blijkt dat de dunne profielen hier noodzakelijk zijn om een goede opstart van de turbine te verzekeren. Verder is er bij het ontwerp rekening gehouden met productieaspecten en met het praktisch inbouwen van de poreuze panelen in het bladoppervlak. De interne luchtstromen door het blad worden volledig bepaald door het structurele ontwerp dat wordt gekozen voor het windturbineblad. Uit onderzoek blijkt dat er verschillende mogelijkheden zijn om een goede doorstroming te garanderen, maar dat er in alle gevallen creatief moet omgegaan worden met de structurele opbouw van het blad. Ter hoogte van de afzuigpanelen is er sowieso voldoende ruimte in het blad om alle afgezogen lucht te transporteren. Er zijn 2 verschillende concepten ontwikkeld om de overgang te realiseren tussen het afzuiggebied en de zone op het blad waar geen luchtafzuiging wordt toegepast. Het meest kritische aspect van het interne bladontwerp is om alle afgezogen lucht aan een aanvaardbare snelheid door de tip van het blad te krijgen. Hiervoor blijkt het nodig dat één van de liggers niet doorloopt tot aan de tip. Dit is al het geval bij huidige bladen, maar bij toepassing van de luchtafzuiging blijkt het ook effectief cruciaal in het intern bladontwerp. Er is voor gekozen om zo veel mogelijk de conventionele bladopbouw te behouden en om enkel de diktes van de laminaten en de materiaalkeuze in de flenzen en de huid te wijzigen. In een eerste ontwerpiteratie is aangenomen dat het poreuze materiaal kan versterkt worden zodat het dezelfde structurele eigenschappen heeft dan het originele bladmateriaal. In dit geval kan dankzij de extra bouwhoogte (bladdikte) een optimalisatie uitgevoerd worden van de opbouw van de laminaten, waardoor een kostenreductie van maximaal 19% kan bereikt worden. Verder is bepaald dat bij de maximale kostenreductie geen maximale gewichtreductie kan behaald worden. Bij een kostenreductie van 19% hoort een gewichtsreductie van 9%. Het is echter ook mogelijk om te optimaliseren naar gewicht, en dan blijkt het mogelijk om een gewichtsreductie van 17% te realiseren. De kostenreductie is dan 13,5%. In een tweede ontwerpiteratie zijn de verzwakkingen aan het blad ten gevolge van het poreuze materiaal meegenomen in de laminaatoptimalisatie. Om deze verzwakkingen te compenseren moet er een kleine hoeveelheid materiaal opnieuw toegevoegd worden, waardoor de maximale kostenreductie 18% bedraagt. Het verschil met de eerste ontwerpiteratie blijkt echter klein te zijn. Om de analyses en simulaties kracht bij te zetten zijn er 3 verschillende testen uitgevoerd: een materiaaltest, een centrifugaaltest en een windtunneltest. Voor de materiaaltest is er een testopstelling gebouwd waarin het poreus materiaal kan worden getest op vervuiling. De vervuilingstest met het poreus materiaal is uitgevoerd gedurende 2 maanden. Gedurende deze 2 maanden heeft een pomp actief lucht door het poreuze materiaal gezogen. Om ervoor te zorgen dat deze materiaaltest representatief is voor een langere periode zijn er relatief hoge afzuigsnelheden gebruikt. De afzuigsnelheden in de testopstelling waren ongeveer 5 keer hoger dan in werkelijkheid. Op deze manier werd er 5 keer meer vervuiling door het materiaal gezogen. Er mag dus geconcludeerd worden dat deze vervuilingstest representatief is voor een testperiode van ongeveer 10 maanden. Uit de test is gebleken dat er 5% verlies is in porositeit van het materiaal over de hele testperiode. Tijdens de eerste weken was het verlies het grootst. Aan het eind van de testperiode was het verlies aan porositeit klein.
– Pagina 5/7 –
De test is stopgezet na 2 maanden omdat samen met turbinefabrikanten werd geconcludeerd dat de relevantie van de test beperkt is. Er is besloten dat er in de nabije toekomst een hele testfase moet georganiseerd worden om verschillende concepten te testen die kunnen dienen om de windturbinebladen poreus te maken. Ook is er in samenwerking met de leverancier van het poreus materiaal een oplossing bedacht voor de UV-gevoeligheid van het materiaal. Door het toevoegen van enkele additieven is er een levensduurverbetering met een factor 6 tot 8 gerealiseerd door de fabrikant. Voor de centrifugaaltest is er een ronddraaiende testopstelling gebouwd met 5 drukmeetpunten die de onderdruk in een roterend kanaal meten. Op deze manier kon het drukverloop in het kanaal bepaald worden bij verschillende rotatiesnelheden. Als testopstelling is er een draaiende schijf gebouwd met een diameter van 2,2 meter en met een luchtkanaal van 1 meter lang dat deels poreus is aan de buitenkant. Bij 6 verschillende rotatiesnelheden zijn de drukken in het roterende kanaal gemeten. Het drukverloop in het kanaal blijkt met een hoge nauwkeurigheid overeen te komen met de resultaten uit het eerder ontwikkeld computermodel. Het enige verschil was een kleine onderdruk aan de tip van het roterend kanaal. Deze onderdruk werd gemeten en was niet aanwezig in het computermodel. Dit verschil is ondertussen weggewerkt zodat kan geconcludeerd worden dat het computermodel perfect is gevalideerd. De windtunneltesten zijn doorgegaan op de TU Delft tussen 5 en 16 oktober 2009. Voor de test is 1 windturbineprofiel gekozen op 50% van de spanwijdte van het turbineblad. Dit profiel werd 20% verdikt ten opzichte van het originele profiel. Er is een windtunnelmodel gemaakt uit aluminium, voorzien van een 50-tal drukmeetpunten. Tijdens de testen werd afzuiging toegepast op 2 verschillende locaties op het profiel, bij verschillende afzuigsnelheden en bij verschillende invalshoeken. Over het algemeen kan geconcludeerd worden dat afzuiging ervoor zorgt dat de verdikte profielen dezelfde aerodynamische prestaties behalen als de originele (dunnere) profielen. In het geval dat de bladen schoon zijn (laminaire stroming over de bladen) moet er wel op gelet worden dat de maximale krachten op het blad niet te veel oplopen door de afzuiging. Een ander aandachtspunt voor de toekomst is het beperken van de steile krachtsreductie bij hoge invalshoeken. Door de kromming van de verschillende bladprofielen nog aan te passen kan dit beïnvloed worden. De windtunneltest heeft getoond dat het mogelijk moet zijn, mits enkele ontwerpveranderingen, bladprofielen te ontwerpen met luchtafzuiging die dezelfde aerodynamische eigenschappen hebben als de originele (dunnere) profielen. Het plan is om in een volgende projectfase een echt testblad te ontwerpen dat vervolgens kan getest worden in het veld. Tijdens het project is er sporadisch contact geweest met de industrie over de voortgang van het project. Echter, in januari heeft Actiflow enkele bedrijfsbezoeken uitgevoerd om feedback te krijgen van de turbinefabrikanten, en om advies in te winnen voor de volgende projectfasen. In januari is Actiflow langsgegaan bij Repower, LM Glasfiber en DEWI (het Duitse windenergieinstituut). In maart is er een bezoek geweest bij Suzlon. Verder is er telefonisch contact geweest met Vestas en GE. Op basis van deze meetings heeft Actiflow een plan opgesteld voor de volgende ontwikkelfase.
6 Conclusie en aanbevelingen De meest veelbelovende mogelijke toepassing van grenslaagafzuiging op windturbinebladen is de mogelijkheid om dikkere profielen toe te passen. Samenvattend kan gezegd worden dat de
– Pagina 6/7 –
doelstellingen van het project gerealiseerd zijn. Er is een windturbineblad ontworpen dat 18% goedkoper is dan een conventioneel blad. De gewichtreductie is echter beperkt tot 9%. Het belangrijkste aspect is echter de kosten, want dankzij de techniek van Actiflow kan de prijs van windenergie dalen en wordt het mogelijk om nog grotere turbinebladen te produceren tegen aanvaardbare kosten. Het ontwerpwerk van Actiflow is succesvol gevalideerd met 3 testen: een windtunneltest, een materiaaltest en een centrifugaaltest. Tenslotte zijn de geïnteresseerde windturbinefabrikanten op de hoogte gehouden en geraadpleegd. Verder onderzoek is echter nog noodzakelijk. Als volgende stap in de ontwikkeling moet een echt testblad ontworpen, gebouwd en getest worden. Dit werk zal in samenwerking gebeuren met de TU Delft en eventueel ook met enkele marktpartijen. De gesprekken voor de opzet van deze ontwikkelingsfase lopen op dit moment. Voor deze nieuwe fase zal Actiflow opnieuw een subsidieaanvraag indienen voor een vervolg als EOS KTO onderzoeksproject.
Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken; Besluit Energie Onderzoek Subsidie: lange termijn.
– Pagina 7/7 –
