Het lijkt wel of er elke week een nieuwe windgenerator-innovatie wordt onthuld, soms in technologieblogs, soms in tv-segmenten, een enkele keer zelfs op TED Talks. Ze beweren allemaal beter te zijn dan de iconische, horizontale-as windturbines met drie bladen waarmee we het meest vertrouwd zijn. Dus wat is het meest efficiënte ontwerp om windenergie op te vangen? Als elk ontwerp onderworpen zou zijn aan een constante windbron, en elk ontwerp had hetzelfde oppervlak (voor bladen, aerofoils, of andere componenten), welke zou dan de meeste elektriciteit opwekken in hetzelfde tijdsinterval?
Kort antwoord
Een moderne windturbine met horizontale as en drie bladen zou de meeste elektriciteit opwekken. Beweringen over superieure prestaties van alternatieve technologieën, vergezeld van verzoeken om investeringen, moeten uiterst sceptisch worden bekeken.
Lang Antwoord
De maximale potentiële opwekking uit een hoeveelheid wind wordt bepaald door de Wet van Betz (ook wel bekend als Betz’ Limiet). Betz berekende dat het maximale vermogen dat uit de wind kon worden gewonnen 59,3% van zijn totale energie bedroeg.
Windturbines met drie bladen met horizontale as
Verticale-as windturbines met aerodynamische bladen
Geschakelde, vliegende windgeneratoren (momenteel alleen prototypes en schetsen)
Horizontale-aswindgeneratoren van diverse typen zonder aerodynamische component aan de bladen
Verticale-as-windgeneratoren van diverse types zoals de Savonius-generator zonder aërodynamische bladen
Verschillende apparaten die eruitzien als straalmotoren, of straalmotoren met grote trechters, kegels met zuigers (de Saphonian ) of kurkentrekkers
Torens die gebruik maken van passieve zonneverwarming rond hun basis om sterke winden te creëren die langs in de toren draaiende windturbinebladen omhoog stromen
Hoe verhouden ze zich?
Er zijn momenteel meer dan 300.000 horizontale-as-windturbines met drie bladen die stroom opwekken. Ze zijn de winnende vorm van opwekking omdat ze het meest effectief zijn. De redenen zijn gemakkelijk uit te leggen:
Aerodynamische bladen voegen een component van lift-gerelateerde kracht toe om het blad sneller te laten draaien. Dit is een belangrijk voordeel ten opzichte van windmolens, zowel met horizontale als verticale as. Een zelfs maar adequaat ontworpen windturbine met aërodynamische bladen zal altijd meer elektriciteit opwekken dan de beste generator zonder aërodynamische lift als component van de energieopname.
De bladen van het driebladige ontwerp vliegen altijd door schone lucht. De turbulentie van de passage van het vorige blad is met de wind meegevoerd tegen de tijd dat het volgende blad hetzelfde punt passeert. Verticale-as windturbines, of het nu bladen of zuivere sleepvormen zijn, vliegen een aanzienlijk percentage van de tijd door turbulente lucht. De schone lucht geeft de HAWT’s met drie bladen een aanzienlijk voordeel.
De bladen van het driebladige ontwerp staan altijd onder de optimale hoek ten opzichte van de aankomende wind. Aerodynamisch geblazen windturbines met verticale as veranderen de hoek van hun bladen ten opzichte van de aankomende wind voortdurend terwijl ze draaien, en slechts een deel van zelfs de beste ontwerpen bevindt zich op een gegeven moment in een optimale hoek. Het uitlijnen van de bladen van HAWT’s op de aankomende lucht vergt vergeleken met dit voordeel een triviale hoeveelheid energie. Savonius-windgeneratoren (genoemd naar een Finse ingenieur die in 1922 een veel voorkomende variant ontwierp) zijn zelfs nog slechter omdat zij de wind vangen in de holte op de helft van hun oppervlak en afstoten op het convexe gedeelte met de bijbehorende luchtweerstand en extra turbulentie op de andere helft van hun oppervlak. (Ik heb een potentiële investering voor een klein bedrijf in microgeneratiecapaciteit geanalyseerd en zag dat de uitvinder 5 “innovaties” had gecreëerd rond het basisprincipe van Savonius, die het van een goedkope vorm van energieopwekking, voldoende voor kleine irrigatiedoeleinden, tot een zeer dure vorm van energieopwekking, voldoende voor kleine irrigatiedoeleinden brachten). Voor de context is hier een kosteneffectieve Savonius irrigatie windmolen gemaakt van een oud plastic vat en wat sloophout.
Drie bladen zijn goed schaalbaar. Een van de grootste voordelen is dat je een heel groot stel bladen op een heel hoge toren kunt zetten en veel wind kunt verzamelen boven het punt waar de wind vertraagt door contact met de grond.
Er zijn veel ‘innovatieve’ ontwerpen voorgesteld die gebruik maken van een soort venturi-effect in combinatie met turbinerotors, maar het fundamentele probleem is dat je, om voldoende wind te verzamelen, de buitenste schil moet opschalen tot het punt waar gewicht en materiaalkosten onbetaalbaar worden. Een buitenschil moet minstens even groot worden als het kwadraat van de diameter en waarschijnlijk meer. Een windturbine van 3 MW met bladen van 80 meter kan een deel van de energie opvangen van 20.096 vierkante meter lucht. Een Venturi-schil op die schaal zou een omtrek van 251,2 meter hebben, zou waarschijnlijk minstens 10 meter breed moeten zijn voordat merkbare effecten optreden en zou enorm veel wegen.
Andere ‘innovatieve’ ontwerpen vliegen met een of andere windvanger – turbinebladen in de vorm van een zeppelin, frames met turbines, vliegers met turbines – in wind die constanter is en hoger van de grond. Het probleem is dat deze voortdurend tegen schaalgrenzen aanlopen. De windgenerator in de vorm van een zeppelin begint stijfheidsproblemen te krijgen lang voordat hij opwekking op nutsschaal bereikt. De vliegers met wieken beginnen enorme en zeer lange kabels nodig te hebben om de krachten te weerstaan. Over het algemeen zijn deze prototypes zeer interessant en komen ze nooit op de markt. Zij allen beginnen enorme grondinstallaties met buitengewoon grote lieren te vereisen wanneer u nutsniveaus van generatie wilt. Wanneer u begint te denken aan schip-hijskracht niveaus van sterkte vermenigvuldigd met kilometers kabel begint u te realiseren dat het gewicht en de kosten van de kabel alleen al onbetaalbaar worden op om het even welk nuttig opwekkingsniveau.
Drie bladen zitten gewoon op één plaats op een grote zuil wanneer zij elektriciteit opwekken. Dit is zeer efficiënt, wat een van de redenen is dat zij de bij de bouw gebruikte energie sneller terugverdienen dan enige andere vorm van elektrische opwekking. Eén windmolenpark in Australië heeft in een jaar 302 keer de elektriciteit opgewekt die gebruikt is om ze te starten, af te remmen en in de wind te zetten. Vergelijk dit eens met de vereisten voor een vliegende windturbine die moet worden binnengehaald wanneer het niet waait, gelanceerd wanneer de wind begint te waaien en een zware kabel heeft die potentieel kilometers lang is en regelmatig wordt aangepast om de opwekking te maximaliseren.
De onderstaande grafiek komt uit het boek van E. Hau uit 2006, Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Springer. Duitsland. 2006. Zelfs in die tijd was dit geen nieuw nieuws, maar slechts een voor de hand liggende verklaring om in leerboeken op te nemen.
De zonnewindtoren met turbinebladen komt nog het dichtst in de buurt van een interessante technologie, maar het onderhoud wordt nooit onderzocht. Vaak wordt gedacht dat de turbines 3-7 of meer horizontaal op de lengte van de toren worden gestapeld. Een andere mogelijkheid is dat veel kleinere turbines rond de basis van de toren worden geplaatst in de tunnels die leiden vanuit de uitgestrekte reeks van glas. Zij zullen werken in zeer warme winden, waarschijnlijk 45 graden Celsius of hoger bij snelheden van 50 km/uur en hoger. In feite is het apparaat een convectieoven die een mens in korte tijd zou koken. Werken in de toren vereist koelpakken en ademhalingsapparatuur, als de windsnelheid dat al mogelijk maakt. De kop van de turbine of de bladen uit de toren halen om ze te onderhouden zou een buitengewone klus zijn. Het sluiten van de windtoevoer zou het sluiten van poorten op een diameter van vijf kilometer vereisen.
Zie mijn verwante post Invest zorgvuldig; windenergie ‘innovaties’ zijn zelden koosjer voor de vragen te stellen over elk innovatief stuk van windopwekking, vooral als iemand je vraagt om er geld in te steken.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
Waarom zijn windturbines met verticale as niet populairder?
Zijn windturbines in de lucht een plausibele bron van goedkope energie?
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
Windturbines betalen de totale milieu-‘schuld’ in minder dan zes maanden terug
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
Paul Gipe’s uitstekende materiaal over de economie van windopwekking
