Een leuk probleem

Het forse windtunnelgebouw van de Technische Universiteit Delft steekt al van verre uit boven het terrein. De bescheiden kamer van Jan-Willem van Wingerden daarentegen laat zich vinden in een hoek op de 3e verdieping van gebouw 3E, Delft Center for Systems and Control. Het eerste dat opvalt is, in zijn boekenkast liggend, een baksteen van een boek met prachtige ranke rotorbladen op de omslag: “Helicopter Theory”. ‘Het eerste boek dat ik ooit kocht’. Van Wingerden onderzoekt windmolens, meer specifiek het probleem van de onvoorspelbare windkrachten die windmolens kunnen beschadigen.
‘Straks laat ik je de windtunnel zien,’ zegt hij als we aan zijn bureau zitten met cola en koffie, ‘maar je wilt eerst iets weten over de flapjes, denk ik. Eigenlijk mag ik geen “flapjes” zeggen,’ corrigeert hij zichzelf. ‘Dat klinkt zo knutselachtig. Het zijn dus flappen’.

Slimme rotor werkt

Die flappen maakt Van Wingerden (in samenwerking met de Delftse afdeling Duwind) vast aan het uiteinde van een windmolenrotor. De bewegende flappen worden aangestuurd door de computer en laten de rotors wegdraaien als de richting en kracht van de wind dat vereist. Hoe werkt dat?
In de flappen zitten piëzo-actuators verwerkt. In zo’n piëzo-actuator zit een kristal dat krimpt bij een elektrische spanning. Door verschillende spanningen over de flappen te zetten, bewegen de piëzo-actuators snel of langzaam. Zo kan de flap razendsnel met de wind meebewegen. Maar het werkt ook andersom: als het kristal krimpt, geeft de piëzo-actuator zelf een elektrisch spanninkje af. In de slimme rotor krimpt de piëzo-actuator doordat het blad van de rotor trilt. Zo meet de slimme rotor de windkracht en kan zich aan die kracht aanpassen.

Hoe is het idee ontstaan?

‘Het idee was een antwoord op een probleem waar windmolenfabrikanten tegenaan liepen. Hun windmolens zouden robuust moeten zijn, met een levensduur van rond de 20 jaar. Maar in de praktijk gaan de rotorbladen trillen. Dat komt omdat de wind niet alleen onvoorspelbaar is, maar er ook af en toe een windstoot tussendoor komt. Dat is slecht voor de turbine en uiteindelijk voor de windmolen zelf. Hierdoor is een windmolen lang niet zo duurzaam als de fabrikanten zouden willen. Ik kwam op het idee om flappen op de rotorbladen te maken, zodat ze als een vliegtuigvleugel konden meebewegen met de wind. Met zulke bestuurbare flappen kunnen de trillingen geneutraliseerd worden.’
‘Tenminste, in theorie,’ vult hij na enig nadenken aan. ‘De praktijk is lastiger. Daarvoor moeten we uitgebreid testen.’

Het eerste project

‘We schreven het eerste STW-project om het idee te gaan uitvoeren. Heel simpel, we maakten een flap aan een rotorblad en gingen regelen, de belasting minimaliseren en opnieuw meten. Je moet weten wat er gebeurt. Een regelaar maken is een complex proces. We hadden twee doelstellingen, ten eerste het vermogen optimaliseren en ten tweede de belasting minimaliseren.’
In het project was energiebedrijf ECN partner. ‘Het leukst was eigenlijk de samenwerking. Samen tot een nieuw concept komen. Mede door de expertise van ECN kwamen we na vier jaar onderzoek bij de piëzo-gestuurde flappen uit. Een concept dat trouwens ook genomineerd werd voor de Simon Stevin Gezelprijs 2009 van STW.

In de praktijk

Helaas greep Van Wingerden net naast die prijs, maar dat schrikt hem niet af: ‘Ik schrijf aan een tweede STW-voorstel waar we nu echt in de praktijk gaan testen. ECN doet daarin weer mee, maar ook de grote Deense bladenfabrikant LM glassfiber. De focus zal liggen op betrouwbaarheid en natuurlijk schone energie.’ Met een lachje: ‘Windenergie is best wel nobel.’

In de windtunnel

We gaan naar de Open Straal windtunnel van de TU Delft. Daar hebben zijn rotorbladen gedraaid op een miniatuurwindmolen volgestopt met meetapparatuur. Trots laat hij de opstelling bij de gigantische uitlaat van de windtunnel zien: ‘Ik heb werktuigbouw gestudeerd, regeltechniek, en dan zie je niet wat er gebeurt. Hier wel. Windenergie is echt heel groot. Er is nog zoveel te testen, zeker als we aan opschaling willen gaan doen. Ik denk dat misschien ooit de actuatoren gemaakt kunnen worden van geheugenmetaal dat van vorm verandert bij verhitting en afkoeling, maar dat is nog ver weg.’

Hoe ziet hij de toekomst?

Hij tikt met gepaste bescheidenheid even op een van de nu ontmantelde rotorbladen. Maar zijn ogen glimmen. ‘Dit is nog maar een blad van twee meter. In het nieuwe project, als het doorgaat, worden de flappen getest in het windmolenpark van ECN. Dat zijn rotors van zeven meter lang. De informatie die daaruit komt moeten we weer doorrekenen, en dat is veel! Er komt nog zo veel op ons af. Maar het blijft een leuk probleem.’