Steeds meer vooruitgang in de Windenergie techniek

ECN werkt in Europees verband aan technologie voor windturbines met een vermogen van 10 megawatt en meer. Stoyan Kanev van ECN Windenergie is enthousiast: “We denken dat windenergie op zee dankzij onze verbeterde regeltechniek 10 á 15 procent goedkoper kan worden.”

In 2020 – nog slechts elf jaar te gaan – moet 25 procent van onze elektrische energie door windturbines worden geleverd. Daarmee wil de Nederlandse overheid aansluiten bij de strategie van de Europese Unie: een snelle omschakeling van fossiele energiebronnen naar duurzame alternatieven.
Om aan een kwart van de huidige vraag te voldoen is een geïnstalleerd vermogen van zeker 9000 megawatt nodig. “Waarvan minstens 6000 MW op zee,” zegt Kanev. “Denk aan 1200 windturbines van 5 MW per stuk. Met 100 meter hoge masten en 60 meter lange rotorbladen.
Maar bij gebruik van de huidige technologie zijn windturbines offshore bijna 2 keer zo duur als op het land. Vooral reparaties en onderhoud hakken erin; denk aan een derde van de totale projectkosten, “terwijl het op land om slechts enkele procenten gaat.”

Illustratie: WinWinD
Het streven is naar grotere windturbines, want die kunnen per kWh goedkoper zijn – als de besturingstechniek het toelaat.

Kwetsbare tandwielkasten
Windturbines lijden het meest onder wisselende belastingen. Telkens als een rotorblad voor de mast langs gaat, vangt het even wat minder wind. Daardoor wordt de rotor kort afgeremd en buigt het blad voor- en achterwaarts. De bladen van een grote windturbine hebben bovendien last van de verschillen in windsterkte en -richting tussen de onderste en de wat hogere luchtlagen. Ook de buigzaamheid van de mast speelt een rol. Variërende krachten op de rotor veroorzaken zwaaiende bewegingen, die op hun beurt de rotor afremmen en versnellen.
Vooral tandwielkasten zijn kwetsbaar. In 2003 introduceerde fabrikant Vestas de V90, een innovatieve lichtgewicht met geïntegreerde tandwielkast en rotorlagers, die in de praktijk veel last had van onverwachte defecten. En helaas laten zulke problemen zich tot nu toe slechts vermijden met een conservatieve, lees zware constructie.

Dempende regeling
Een beter besturingssysteem kan wisselende belastingen gladstrijken. Nieuwe software van ECN Windenergie scoort verbazingwekkend goed. Kanev: “Voor de tandwielkast halen we een factor tien! Daar worden de pieken in de belasting dus 90 procent lager. En de zwaai van de mast neemt af met 60 procent.” Hoe het werkt?
1- De software ziet de voor- en achterwaartse zwaai van de mast via een accelerometer in de gondel en zorgt voor demping door via de instelhoek van de rotorbladen de te verwerken winddruk te regelen.
2- Een tweede accelerometer rapporteert de zijwaartse beweging van de mast. Hier grijpt de software in via het generatorkoppel; door even wat meer of juist minder energie uit de wind te halen, ontstaat een reactiekracht die de zijwaartse zwaai tegenwerkt.
3- Bij variërende draaisnelheid van de rotor zorgt de software voor een zoveel mogelijk constante kracht op de tandwielkast, weer via regeling van het generatorkoppel.
4- Buigsensors vertellen de software hoe zwaar de afzonderlijke rotorbladen het te verduren hebben. Door de instelhoek per blad snel aan te passen worden ook pieken in hun belasting afgevlakt.


Illustratie: EWEA
De gondel van een moderne windturbine.

Aantrekkelijke technologie, die ook zeer geschikt is voor de huidige windturbines. Maar van belang is vooral dat een betrouwbaar dempende besturing veel grotere windturbines mogelijk maakt. “Het vermogen van een windturbine neemt toe met het oppervlak van de rotorschijf, dus met een kwadraat,” zegt Kanev. “Voor de realiseerbaarheid en de kosten telt het gewicht en daar heb je te maken met een derde macht. Een twee keer zo grote windturbine wordt dus acht keer zo zwaar. Tenzij … de belasting constant blijft, zodat je veel lichter kunt bouwen.”
Binnen project UpWind werkt ECN samen met tientallen Europese partners aan technologie voor windturbines met een vermogen van 10 megawatt en meer. Vooral bij offshore-windparken kan dat de prijs verlagen, onder andere doordat minder funderingen nodig zijn. Kanev: “Ook dan blijven de installatiekosten op zee natuurlijk relatief hoog, zodat het lekker aantikt als windturbines langer meegaan en minder onderhoud nodig hebben. We denken dat windenergie op zee dankzij onze verbeterde regeltechniek 10 á 15 procent goedkoper kan worden. En we hebben nog meer potjes op het vuur.”

Windschatter
Kanev vertelt over software die overweg kan met slijtage en dreigende defecten. Het gaat ten eerste om de censors. Windsnelheid, bladhoek, toerental, buiging van de rotorbladen; het houdt allemaal verband met elkaar. De censors voorspellen tot op zekere hoogte elkaars metingen. De software moet defecte ‘zintuigen’ signaleren en zich aanpassen, zodat de windturbine het net als een levend wezen desnoods met een oog minder kan doen.
Verder wordt enige zelfkennis ingebouwd. De software zal blijvende afwijkingen van de normale prestaties interpreteren als slijtage en in afwachting van onderhoud zo gaan regelen dat verdachte mechanische en elektrische componenten minder zwaar worden belast. Uiteraard ten koste van het geleverde vermogen, maar een tandje minder is beter dan uitvallen.
In het verlengde daarvan ligt software die beter omgaat met extreme windstoten. De huidige regelsystemen mikken ook bij harde wind bijna blindelings op maximaal vermogen, tot een vlaag het rotortoerental over een limiet jaagt. Dan grijpt een afzonderlijk noodsysteem grof in; de besturing wordt uitgeschakeld en de rotorbladen klappen in vaanstand, zodat de windturbine met een wellicht schade veroorzakende ruk tot stilstand komt.
Nieuwe software zal een ‘windschatter’ bevatten. Die kijkt niet naar de windsnelheidsmeter op de gondel, maar let uitsluitend op signalen zoals de buiging van de bladen en de variatie van het toerental. Meldt de windschatter een verhoogde kans op harde windstoten, dan beperkt de software bij voorbaat het toerental, zodat de windturbine ook in extreme omstandigheden zonder schade energie blijft leveren.

Praktijktest
“Maar dat is allemaal nog in het stadium van onderzoek en simulatie,” vertelt Kanev. “Komend jaar gaan we eerst samen met Mitsubishi onze individuele bladhoekregeling testen in een van hun windturbines. Zij hebben al zoiets, maar denken dat onze software wel eens beter zou kunnen werken.”
Een paradijs voor onderzoekers? “Absoluut,” glimlacht Kanev. “Maar ook van groot belang voor de toekomst van onze energievoorziening.

Meer informatie
Wind Turbine Extreme Gust Control
Exploring the Limits in Individual Pitch Control
ECN Design Tool
Estimating costs of operation & maintenance for offshore wind farms

Contact
Stoyan Kanev
ECN Windenergie
Tel.:022 456 4821
E-mail: Stoyan Kanev

bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *