Nieuws

‘Ontwerp windturbines kan 150 keer sneller’

UT-promovendus Arne van Garrel heeft een rekenmethode ontwikkeld om sneller en efficiënter windturbines te ontwerpen.

Zijn onderzoek kan een belangrijke schakel vormen in de transitie naar duurzame (wind)energie. Van Garrel is een groot voorstander van windenergie, volgens hem zowel de goedkoopste als meest kansrijke energiebron van de toekomst.

De opbrengst van een windturbine hangt direct af van de diameter van de rotorbladen, met steeds grotere rotorbladen tot gevolg. 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 liefst zo snel en goed mogelijk in kaart brengen.

Eeuwoude 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 ’20 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 ‘60 en in de loop der tijd verwaarloosd, kan uitstekend van pas komen bij het ontwerp van windturbines. Die methode moet dan gecombineerd worden met een zeer efficiënte rekenmethode. Ik wilde iets bedenken dat tussen de eeuwoude methode en de intensieve methode inzit. Wel de fysica modelleren, maar niet zo traag. Liefst in één dag.”

150 keer sneller

De promovendus legt uit dat bij de panelenmethode slechts een beschrijving van het oppervlak van de windturbine nodig is. “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 150 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. De verschillen zijn nihil. Van Garrel voerde tevens experimenten uit in de windtunnel van de Universiteit Twente.

Afbeelding: 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). “Ik zocht meer verdieping, wilde meer onderzoek doen. Ik begon met mijn promotieonderzoek in de avonduren. Dat kan ik overigens niemand aanraden, ik was dag en nacht bezig.” Harry Hoeijmakers en Kees Venner, UT-hoogleraren in de stromingsleer en tevens zijn promotoren, gaven hem later een promotieplek in Twente.
Van Garrel verzorgt samen met Venner de colleges Windenergie binnen de opleidingen Mechanical Engineering (werktuigbouwkunde) en Sustainable Energy Technology.
Het promotieonderzoek van Van Garrel wordt tevens beoordeeld door prof. Mark Drela van de afdeling Aeronautics and Astronautics van het gerenommeerde MIT in de VS.

Van Garrel is groot voorstander van multidisciplinair onderzoek naar windenergie: “De unieke combinatie van bèta- en gammaonderzoek aan de Universiteit Twente is de ideale voedingsbodem hiervoor.”

Arne van Garrel verdedigt zijn proefschrift getiteld Multilevel Panel Method for Wind Turbine Rotor Flow Simulations op 14 december (16:45 uur) in gebouw de Waaier op de campus van de UT. Een digitale versie van zijn proefschrift is op te vragen.
Zijn onderzoek is onderdeel van de vakgroep Engineering Fluid Dynamics (faculteit Engineering Technology) en Science Based Engineering.