De ideale bladloze windmolen is maar 80 cm hoog

80cm hoog en een diameter van 65cm. Dat zijn volgens de universiteit van Glasgow de ideale maten voor een bladloze windmolen in de (semi) stedelijke ruimte. “Let wel, we hebben het optimum berekend tussen opbrengst en veiligheid.”

Inzichten uit het onderzoek kunnen helpen om het potentieel van een zich ontwikkelende vorm van kleinschalige windenergieopwekking te ontsluiten, aldus de ingenieurs, die geavanceerde computersimulaties van bladloze windturbines (BWT’s) gebruikten om te identificeren hoe die gebouwd kunnen worden voor maximale efficiëntie.

Wervelingen

BWT’s hebben de vorm van slanke cilindrische structuren die in de wind bewegen, net als lantaarnpalen bij slecht weer. Wanneer de wind ertegenaan waait, creëren BWT’s wervelingen die de hele structuur heen en weer bewegen. Wanneer de frequentie van de trillingen overeenkomt met de natuurlijke neiging van de structuur om te trillen, wordt de beweging aanzienlijk versterkt en wordt de toegenomen beweging omgezet in elektriciteit.

In het artikel in Renewable Energy laat het team zien hoe ze computermodelleringstechnieken hebben gebruikt om de prestaties van duizenden variaties van BWT-ontwerpen te simuleren. De resultaten werpen licht op de wisselwerking tussen mastafmetingen, vermogen en structurele veiligheid bij windsnelheden tussen 32 en 112 kilometer per uur.

Sweet spot

De belangrijkste bevinding is dat er een optimaal ontwerp voor BWT’s bestaat dat een ‘sweet spot’ creëert waar de energieopwekking wordt gemaximaliseerd ten opzichte van de structurele sterkte. Het ideale ontwerp, dat een nauwkeurige balans vindt tussen energieopwekking en stevigheid, is een mast van 80 cm met een diameter van 65 cm. Dat ontwerp zou veilig maximaal 460 watt kunnen leveren, zo ontdekte het team. Dat is aanzienlijk beter dan de beste prestaties van de best presterende prototypes die tot nu toe zijn gebouwd, die maximaal 100 watt hebben geleverd.

Het model toonde ook de beperkingen aan van andere ontwerpen, die mogelijk meer vermogen zouden kunnen genereren. In het artikel laten ze zien hoe verschillende ontwerpen van BWT’s in theorie tot 600 watt zouden kunnen genereren, maar ten koste van de structurele integriteit – in de praktijk zouden ze snel falen.

Het team stelt dat hun methodologie de basis zou kunnen vormen voor het opschalen van BWT’s naar nutssystemen die 1 kilowatt en meer genereren, waardoor ze veel praktischer worden voor gebruik door leveranciers van hernieuwbare energie.

Tegenintuïtief

Auteur Wrik Mallik van de James Watt School of Engineering: “Wat deze studie voor het eerst aantoont, is dat, tegenintuïtief, de structuur met de hoogste efficiëntie voor energiewinning in feite niet de structuur is die het hoogste vermogen levert. In plaats daarvan hebben we het ideale middenpunt tussen de ontwerpvariabelen geïdentificeerd om het vermogen van BWT’s om energie op te wekken te maximaliseren en tegelijkertijd hun structurele sterkte te behouden.

“In de toekomst zouden BWT’s een onschatbare rol kunnen spelen bij het opwekken van windenergie in stedelijke omgevingen, waar conventionele windturbines minder bruikbaar zijn. BWT’s zijn stiller dan windturbines, nemen minder ruimte in beslag, vormen minder een bedreiging voor de natuur en hebben minder bewegende onderdelen, waardoor ze minder regelmatig onderhoud nodig hebben.”

Industrie stimuleren

Mede-auteur Sondipon Adhikari: “We hopen dat dit onderzoek de industrie zal stimuleren om nieuwe prototypes van BWT-ontwerpen te ontwikkelen door het meest efficiënte ontwerp duidelijk te demonstreren. Door een deel van het giswerk weg te nemen dat gepaard gaat met het verfijnen van prototypes, kunnen BWT’s een waardevoller onderdeel worden van de wereldwijde gereedschapskist voor het bereiken van netto-nuluitstoot door middel van hernieuwbare energiebronnen.

“We zijn van plan om ons begrip van BWT-ontwerp verder te verfijnen en te kijken hoe de technologie kan worden opgeschaald om stroom te leveren voor een breed scala aan toepassingen. We willen ook graag onderzoeken hoe metamaterialen – speciaal ontworpen materialen die nauwkeurig zijn afgestemd om ze te voorzien van eigenschappen die niet in de natuur voorkomen – de effectiviteit van BWT’s in de komende jaren kunnen vergroten.”