Nye vindmøllevinger efterligner høgen

Uanset om det er blæsevejr eller vindstille, kan man over danske marker observere høge, der hænger bomstille i luften, mens de holder øje med deres bytte nede på jorden. Konstant bevæger og justerer rovfuglen sine vinger alt efter vinden, og det er det, der gør, at den i stedet for at svæve kan hænge helt stille i luften.

Netop høgens vinger har været inspirationen til et DTU-projekt, der skal gøre vindmøllevinger billigere og mere holdbare, hvilket vil resultere i, at møllen producerer mere strøm. De første prototyper er ved at blive testet på en af Risø DTU's vindmøller.

»De vindmøller, som opstilles i dag, er gigantiske med vinger, der er længere end 60 meter. Sådan en sætter man ikke lige op uden at være sikker på, at det hele virker. Derfor tester vi i alle facetter - både ved at lave simuleringer i lufttunneler og fuldskalamøller for at bevise, at ændringer i det kendte design er pålidelige,« siger Thomas Buhl, der er senior forsker på Risø DTU.

Mindsker slid på møllen

På de nye møllevinger vil bagkanten kunne ændre form lidt på samme måde, som høgen justerer på sine vingerspidser. Det bagerste af vingen er lavet af et fleksibelt silikoneprodukt, som - alt efter hvordan vinden blæser - indstiller sig automatisk uafhængigt af resten af vingen.

De enorme kræfter, som en vindmøllevinge bliver udsat for, når vinden presser på den, betyder, at det kan gå ud over komponenter i møllen som gearkasse og pitch system. Men med de fleksible bagkanter vil vingen automatisk kunne fjerne mange af de fluktuerende belastninger, der kommer fra vinden.

Det betyder, at man i fremtiden vil kunne vælge at bruge samme vindmøllekomponenter - tårn, lejer og gearkasse etc., men sætte en større rotor og generator på møllen. Og det vil i sidste ende betyde større el-produktion.

Men at udvikle nye fleksible vindmøllevinger handler ikke blot om at ændre en enkelt del af vingen. Der skal findes nye sensorer, udregnes algoritmer og findes egnet materiale. Alt skal spille sammen for at få vingerne til at fungere optimalt

Sensorer stopper vibrationer

I blæsevejr bevæger en vindmølle sig voldsomt, fordi den bliver udsat for luftens store tryk og den turbulens, der opstår i dens omgivelser.

»En møllevinge på 40-50 meter kan bøje sig op til 7-8 meter. Det giver et enormt træk på møllen. Derudover vibrerer de meget, og det er disse vibrationer, vi gerne vil fjerne. Så holder de mekaniske dele i møllen længere,« forklarer Thomas Buhl.

En mølle med 50 meter vinger har et areal på ca. 8.000 kvadratmeter, hvilket er ca. to gange Parkens græstæppe. Da en kubikmeter luft vejer ca. et kilo, passerer der 80 ton luft gennem rotoren i sekundet, hvis det blæser 10 m/s.

Men der er som oftest forskel på vindhastigheden i toppen og bunden af møllen. Når vingetippen peger op, er den ca. 150 meters højde, mens den er i ca. 50 meters højde, når den vender nedad.

En standardforskel i vindhastighed på top og bund kan give en belastning på vingen i bunden på, hvad der svarer til 400 kg, mens den i toppen vil være 1.200 kg. Kan disse variationer udlignes, vil møllerne selvsagt kunne holde længere.

Derfor skal vingen ikke blot udstyres med fleksible bagkanter, men også med sensorer og elektroniske udstyr. En løsning er at bruge et såkaldt pitot-rør som sensor. Et pitot-rør bruges også på fly til at måle lufttrykket. Det betyder, at sensoren allerede, inden vinden rammer vingen, har sendt besked til en computer i møllehuset. Den beregner så data og sørger for, at bagkanterne automatisk justeres, så de udnytter vinden optimalt.

»Med vores forsøg kan vi bevise, hvor meget vores flapper og styringsalgoritmer kan aflaste vingen,« siger Thomas Buhl.

Forsøg i vindtunneler viser, at belastningen muligvis kan gøres hele 60 procent mindre, og DTU er nu i færd med at køre en række tests på en 225 kW mølle på Risø DTU's område.

Elektriske signaler ikke optimale

De første bagflapper blev lavet af et såkaldt piezoelektrisk materiale, der bøjer sig, når det bliver udsat for elektrisk spænding.

»Når man sætter strøm til materialet, udvider det sig, så det var en meget simpel måde at styre bagklappens indstilling ved hjælp af elektriske signaler,« siger Thomas Buhl.

Imidlertid er en høj vindmølle, der rager op i landskabet, et oplagt mål for lynnedslag, og vindmøllevinger med elektrisk spænding på overfladen er derfor et risikabelt valg. I øjeblikket eksperimenterer forskerne derfor i stedet med at benytte en bagkant af hul silikone, hvor man kan kontrollere faconen ved at pumpe luft eller væske igennem. Silikonen er praktisk, fordi det kan støbes i den helt rigtige form.

»I store forskningsprojekter som dette ender man nogle gange et andet sted, end man forventede fra starten. Der kan komme uforudsete eller praktiske forhindringer, og så må man gå et skridt baglæns og finde en ny løsning, der kan gøre teknologien brugbar og anvendelig i virkeligheden,« siger Thomas Buhl, der forventer, at de kommende forsøg med silikone vil vise, at det er den rette løsning.

En almindelig vinge vejer omkring 12 ton (i visse tilfælde det dobbelte). Kan man i fremtiden reducere de vibrationer, som møllen udsættes for, er vejen banet for yderligere at forbedre powerproduktionen ved at udvikle nye lettere vingematerialer.

Økonomiske gevinster

Hvis det lykkes for forskerne på Risø DTU at mindske sliddet på vingen, vil det selvsagt kunne medføre en betragtelig økonomisk gevinst, både fordi møllerne i sig selv kan producere mere el, men også fordi teknologien vil give mulighed for at opstille nye møller på steder, som i dag ikke er muligt.

Kan vi få vindmøllerne til at indstille sig, så de i højere grad er i stand til at indstille sig efter vinden, kan man opstille møller flere steder, end vi kan i dag.

ThomasBuhl

»Kan vi få vindmøllerne til at indstille sig, så de i højere grad er i stand til at indstille sig efter vinden, kan man opstille møller flere steder, end vi kan i dag. Det kan være i bjergrige områder, hvor turbulensen er høj, eller man kan stille møllerne tættere i en off-shore vindmølle park,« siger Thomas Buhl.

Men selvom det er meget attraktivt for kommercielle virksomheder at komme først med nye løsninger, er det dog ikke den slags ny teknologi, der bliver implementeret natten over.

»En enkelt mølle på fem MW koster ca. 37 mio. kr., så man stiller ikke lige sådan en op, før man er meget sikker på, at teknologien er pålidelig,« siger Thomas Buhl.

Han anslår, at de første prototyper kommer i gang om fem år og er klar til kommercielt salg om ca. ti år.

Den maksimale udnyttelse af vindenergi i en vindmølle er 59 procent. At den ikke er højere skyldes, at en del af vinden bremses, når den rammer vingerne. Maksimum aerodynamisk virkningsgrad for veldesignede møller ligger i dag omkring 48-49 procent.

En vindmølle med en effekt på 1 MW producerer i teorien 1 MW i timen (1MWh). Hvis den kørte uafbrudt i et år, ville den derfor producere 8760 MWh - hvis møllen altså kunne producere ved maksimum effekt hele tiden. En vindmølle, der er konstrueret til de danske vindforhold, udnytter i ca. 25-30 procent af mærkeeffekten på et år. Det kaldes kapacitetsfaktoren.

Går vi ud fra en kapacitetsfaktor på 25 procent ser regnestykket for en 1 MW vindmølles produktion sådan ud: 8760 MWh x 0,25 = 2190 MWh om året.

For hver procent det lykkes at højne virkningsgraden i en 1 MW vindmølle, øges produktionen derfor med 21 MWh - hvilket svarer til en dansk husstands årlige forbrug. Eftersom de møller, der opstilles i dag, gerne er på mellem 2 og 5 MW, er potentialet større