211service.com
Bladloze windturbines bieden mogelijk meer vorm dan functie
Windenergie is de afgelopen decennia een legitieme energiebron geworden, omdat grotere, efficiëntere turbineontwerpen steeds grotere hoeveelheden stroom hebben geproduceerd. Maar hoewel de industrie in 2014 een recordbedrag van $ 99,5 miljard aan wereldwijde investeringen zag, kan de turbinegroei zijn grenzen bereiken.
Vortex zegt dat zijn bladloze turbines elektriciteit zullen opwekken voor 40 procent minder dan de stroomkosten van conventionele windturbines.
Het transport wordt steeds uitdagender vanwege de grootte van de componenten: afzonderlijke bladen en torensecties vereisen vaak gespecialiseerde vrachtwagens en rechte, brede wegen. De windturbines van vandaag zijn ook ongelooflijk topzwaar. Generatoren en tandwielkasten die op steuntorens op 100 meter boven de grond zitten, kunnen meer dan 100 ton wegen. Naarmate het gewicht en de hoogte van turbines toenemen, verminderen de materiaalkosten van bredere, sterkere steuntorens, evenals de kosten voor het onderhoud van componenten die zo ver van de grond zijn gehuisvest, de efficiëntievoordelen van grotere turbines.
De alternatieve energie-industrie heeft herhaaldelijk tevergeefs geprobeerd deze problemen op te lossen. Maar de nieuwste inzending belooft een radicaal ander type windturbine: een bladloze cilinder die oscilleert of trilt.
De Spaanse startup Vortex Bladeless heeft turbines ontwikkeld die gebruik maken van vorticiteit, de draaiende beweging van lucht of andere vloeistoffen. Wanneer wind een van de cilindrische turbines passeert, scheert het de windzijde van de cilinder af in een draaiende draaikolk of vortex. Die vortex oefent dan kracht uit op de cilinder, waardoor deze gaat trillen. De kinetische energie van de oscillerende cilinder wordt omgezet in elektriciteit via een lineaire generator die vergelijkbaar is met die welke wordt gebruikt om golfenergie te benutten.
David Yáñez, een van de medeoprichters van het bedrijf, kwam het concept voor het eerst tegen toen hij de ineenstorting van de Tacoma Narrows Bridge in Washington bestudeerde. De brug stortte in 1940 in als gevolg van overmatige trillingen gevormd door de draaiende beweging van de wind terwijl deze langs de brug blies en is een technische fout in het leerboek. Yáñez leerde echter een andere les. Dit is een heel goede manier om energie van een vloeistof naar een structuur over te brengen, zegt hij.
Het lichtgewicht cilinderontwerp van Vortex heeft geen tandwielen of lagers. Yáñez zegt dat het elektriciteit zal opwekken voor 40 procent minder dan de stroomkosten van conventionele windturbines. Het bedrijf heeft $ 1 miljoen aan particulier kapitaal en overheidsfinanciering ontvangen in Spanje en is op zoek naar nog eens $ 5 miljoen aan durfkapitaalfinanciering. Yáñez zegt dat het bedrijf van plan is om in 2016 een systeem van vier kilowatt uit te brengen en rond 2018 een veel groter apparaat van één megawatt.
De Vortex-turbine klinkt veelbelovend, maar zoals elk radicaal nieuw ontwerp voor alternatieve energie, hebben bladloze turbines veel sceptici.
Als je een gewone windturbine van het propellertype hebt, heb je een groot gebied dat door de wieken wordt geveegd, zegt Martin Hansen, een windenergiespecialist aan de Technische Universiteit van Denemarken. Hier heb je gewoon een paal.
Naast het opvangen van minder energie, kunnen oscillerende cilinders niet zoveel van die energie omzetten in elektriciteit, zegt Hansen. Een conventionele windturbine zet typisch 80 tot 90 procent van de kinetische energie van zijn draaiende rotor om in elektriciteit. Yáñez zegt dat de op maat gemaakte lineaire generator van zijn bedrijf een conversie-efficiëntie van 70 procent zal hebben.
Yáñez geeft toe dat het ontwerp van de oscillerende turbine een kleiner gebied zal bestrijken en een lagere conversie-efficiëntie zal hebben, maar zegt dat aanzienlijke verlagingen van de productie- en onderhoudskosten opwegen tegen de verliezen.
Omdat Vortex grotere apparaten bouwt die hogere windsnelheden verder van de grond opvangen, zal het ook andere uitdagingen tegenkomen die inherent zijn aan de fysica van vloeistofmechanica. Lucht of andere vloeistoffen die met lage snelheden langs cilinders met een kleine diameter bewegen, stromen in een vloeiende, constante beweging. Vergroot echter de diameter van de cilinder en de snelheid waarmee de lucht eroverheen stroomt, en de stroming wordt turbulent en veroorzaakt chaotische wervelingen of draaikolken. De turbulente stroming zorgt ervoor dat de oscillatiefrequentie van de cilinder varieert, waardoor het moeilijk is om deze te optimaliseren voor energieproductie.
Met zeer dunne cilinders en zeer lage snelheden krijg je zingende telefoonlijnen, een absoluut zuivere frequentie of toon, zegt Sheila Widnall, hoogleraar luchtvaart- en ruimtevaartkunde aan het MIT. Maar wanneer de cilinder erg groot wordt en de wind erg hoog wordt, krijg je een reeks frequenties. Je zult er niet zoveel energie uit kunnen halen als je zou willen, omdat de oscillatie fundamenteel turbulent is.
Widnall zet ook vraagtekens bij de bewering van het bedrijf dat zijn turbines stil zullen zijn. De oscillerende frequenties die de cilinder doen schudden, zullen geluid maken, zegt ze. Het zal klinken als een goederentrein die door uw windpark komt.
Oscillerende cilinders zijn slechts een van de vele opkomende technologieën die gericht zijn op het oogsten van meer wind voor minder. Makani Power ontwikkelt een tethered energy kite (zie Flying Windmills). Het vliegt in een grote cirkel vergelijkbaar met de punt van een conventioneel turbineblad, terwijl het windenergie benut via kleinere turbines aan boord. Astro Teller, hoofd van Google X, de semi-geheime onderzoeksfaciliteit van Google die Makani in 2013 overnam, zei in maart dat het bedrijf binnenkort zou beginnen met het testen van een full-scale vlieger van 600 kilowatt.
John Dabiri, hoogleraar luchtvaart en bio-engineering aan Caltech, test verschillende configuraties van turbines met verticale assen, die in wezen windmolens zijn die als een draaimolen draaien in plaats van op een horizontale as zoals een fietswiel. Doorgaans worden windturbines ver uit elkaar geplaatst om de energieproductie te optimaliseren. Op basis van dezelfde principes die vissen gebruiken om energie te besparen door scholing, ontdekte Dabiri dat turbines die dicht bij elkaar zijn geplaatst meer energie kunnen produceren dan turbines die ver uit elkaar staan.
Je kunt de werking van meerdere windturbines zo afstemmen dat het geheel meer is dan de som der delen, zegt hij.
Dabiri zegt dat dergelijke synergetische effecten ook van toepassing kunnen zijn op conventionele windmolens met horizontale as of zelfs oscillerende turbines. De laatste vormen een grotere uitdaging omdat het zog van dergelijke turbines erg chaotisch is, maar ook een potentieel voordeel omdat het zog veel energie bevat, zegt hij.
Er valt nog veel te zien met de oscillerende turbine van Vortex, zegt Dabiri, maar hij voegt eraan toe dat hij enthousiast is over het concept van het bedrijf. Iedereen die zegt dat de driebladige turbine het beste is wat we kunnen doen, ontbreekt aan visie.