Windturbines kunnen de helft stiller zonder energieverlies
Geplaatst door Stefan Oerlemans in Windenergie 8 Reacties»
Het geluid van windturbines is een van de belangrijkste belemmeringen voor de grootschalige toepassing van windenergie. Maar hoe ontstaat het geluid eigenlijk? En kunnen we er iets aan doen? Daarover gaat onderstaand artikel, dat gebaseerd is op mijn promotie-onderzoek bij het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium NLR en de Universiteit Twente.
Geluidsoverlast van windturbines
Het geluid van windturbines is naast ‘horizonvervuiling’ een van de belangrijkste belemmeringen voor de grootschalige toepassing van windenergie. Het komt regelmatig voor dat windturbines (met name ’s nachts) niet op vol vermogen kunnen draaien, en soms worden zelfs hele projecten afgelast omdat niet aan de geluidsnormen kan worden voldaan. Uit onderzoek naar de perceptie van windturbinegeluid blijkt dat windturbinegeluid veel hinderlijker is dan andere bronnen van omgevingsgeluid, zoals autowegen. Een mogelijke verklaring hiervoor is het onvoorspelbare en zoevende karakter van het geluid. Op de oorzaak van dit zoevende of zwiepende geluid komen we hieronder nog terug. Om de overlast te verminderen kun je windturbines ver van de bebouwing plaatsen, maar in een dichtbevolkt land als Nederland blijven er dan weinig beschikbare lokaties over. Windmolens op zee kampen weer met andere problemen, zoals slijtage en hoge kosten voor installatie, onderhoud en transport. Het zou daarom mooi zijn als we het geluid van windturbines bij de bron kunnen verminderen, zonder dat dit energie kost. Daarvoor moeten we wel eerst weten hoe het geluid ontstaat.
Akoestische antenne
Geluidsbronnen kunnen worden gelokaliseerd met een zogenaamde akoestische antenne. Deze bestaat uit een groot aantal microfoons waarmee tegelijkertijd het geluid wordt gemeten. Door de tijdstippen waarop het geluid bij de verschillende microfoons aankomt met elkaar te vergelijken, kan worden bepaald uit welke richting het geluid komt. Op deze manier kunnen akoestische ‘bronplaatjes’ worden gemaakt, waarop de verschillende geluidbronnen zichtbaar zijn. Als voorbeeld toont Fig. 1 de geluidsbronnen op een landend vliegtuig, gemeten met een akoestische antenne op de grond. Behalve de motoren zijn hierop ook verschillende aerodynamische geluidsbronnen zichtbaar, zoals het neuswiel, de landingsgestellen, en de vleugelkleppen. Dit stromingsgeluid ontstaat door een interactie van de turbulente luchtstroming met de verschillende componenten van het vliegtuig.
Figuur 1: Geluidsbronnen op een landend vliegtuig.
Geluidsbronnen op windturbines
Om de geluidsbronnen van een windturbine te bepalen, hebben we met een grote akoestische antenne (150 microfoons op een platform van 18×20 m2) geluidsmetingen uitgevoerd aan twee grote, moderne windturbines. Fig. 2 toont de geluidsbronnen in het rotorvlak, gemiddeld over een groot aantal omwentelingen van de bladen.
Figuur 2: Geluidsbronnen op een windturbine.
Uit dit bronplaatje kunnen we een aantal interessante conclusies trekken. Ten eerste zien we dat de geluidsproductie wordt gedomineerd door de bladen: blijkbaar is mechanisch geluid uit de gondel ondergeschikt. Daarnaast zien we dat het geluid ontstaat op het buitenste deel van de bladen, wat verklaard kan worden doordat de bladen daar het snelst door de lucht bewegen (zo’n 250 km/u bij de tippen). Maar het meest verrassende is wel dat vrijwel al het geluid wordt geproduceerd tijdens de neergaande beweging van de bladen (rond ‘3 uur’). Telkens wanneer een blad de ‘3 uur’ positie passeert wordt er geluid geproduceerd, wat het zoevende karakter van het geluid verklaart. Dit asymmetrische patroon kan worden verklaard aan de hand van het mechanisme dat verantwoordelijk is voor het geluid. Dit zogenaamde achterrandgeluid ontstaat wanneer turbulente wervels over de achterrand van het blad spoelen (zie Fig. 3). Een kenmerk van achterrandgeluid is dat het vooral in de richting van de voorrand van het blad afstraalt: wanneer de bladen naar beneden bewegen gaat het meeste geluid naar de grond, wanneer de bladen omhoog bewegen gaat het geluid de lucht in. Als je op de grond staat hoor je de bladen dus vooral wanneer ze naar beneden komen.
Figuur 3: Mechanisme van achterrandgeluid.
Stille windturbines
Nu we weten hoe het geluid ontstaat kunnen we gaan nadenken over manieren om het geluid te verminderen. Een voor de hand liggende methode is om het toerental van de turbine te verlagen: doordat de bladen langzamer door de lucht bewegen wordt het geluid ook minder. Een nadeel van deze methode is echter dat het geproduceerde vermogen ook afneemt. Om het geluid van de bladen te verminderen zonder energieverlies hebben we twee verschillende reductieconcepten getest: een aangepast bladprofiel en zaagtanden op de achterrand van het blad (zie Fig. 4).
Figuur 4: Reductieconcepten voor achterrandgeluid.
Om een eerlijke vergelijking te kunnen maken hebben we deze concepten getest op een rotor met een referentieblad en twee aangepaste bladen. Omdat vrijwel al het geluid ontstaat op het buitenste deel van de bladen, was alleen het buitenste kwart van de twee aangepaste bladen gemodificeerd (zie Fig. 5).
Figuur 5: Klimmer op het blad met zaagtanden.
Door een speciale naverwerking van de meetgegevens konden de geluidsbronnen op de drie verschillende bladen worden gelokaliseerd en gekwantificeerd (Fig. 6). Hieruit bleek dat het blad met de zaagtanden ruim drie decibel stiller was dan het referentieblad. Dit betekent dat het geluid kan worden gehalveerd zonder energieverlies!
Figuur 6: Geluidsbronnen op de drie verschillende bladen.
Uilentechnologie
In de toekomst hopen we windturbines nóg stiller te maken met een variant op de zaagtanden: uilenborstels (Fig. 7). In tegenstelling tot andere roofvogels kunnen uilen tijdens de jacht vrijwel geruisloos vliegen, en dit wordt toegeschreven aan zachte donshaartjes op de achterrand van hun vleugels. Deze ‘uilentechnologie’ kan worden vertaald naar windturbinebladen door een strip met borstelharen op de achterrand van het blad te monteren. Dit concept is al met succes getest op bladsecties in de windtunnel. Het grote voordeel van borstels ten opzichte van zaagtanden is dat ze flexibel zijn, waardoor ze zichzelf automatisch uitlijnen met de luchtstroming rond het blad, voor alle windsnelheden. Door windturbinebladen uit te rusten met deze zogenaamde ‘brush kits’ worden geluidsreducties van drie tot zes decibel verwacht.
Figuur 7: Het borstelconcept.
Bronnen en gerelateerde links
- Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium NLR
- Universiteit Twente
- Het WINDFARMperception project
- Project WINDFARM perception report (pdf)
- Detection of aeroacoustic sound sources on aircraft and wind turbines (pdf)
- Artikelen over windenergie op OliNo
Stefan Oerlemans, National Aerospace Laboratory – NLR
8 reacties op “Windturbines kunnen de helft stiller zonder energieverlies”
Een mooie ontwikkeling!! Nu hoop ik dat we in Nederland als een malloot eens flink wat aanzienlijke windparken gaan aanleggen op land EN zee 🙂
Zou een land als Duitsland met de grote windmolenvelden mogelijk hiernaar ook onderzoek gepleegd hebben?
Interessant, onderzoekers in Amerika zijn ook op het idee gekomen om tanden (en dribbels) aan het blad toe te voegen, maar zij hebben zich laten inspireren door bultrugwalvissen en hun doel was efficiëntie-verbetering:
http://www.alternative-energy-fuels.com/wind/cape-cod-whales-spur-radical-wind-turbine-blade-design
“dribbels” moet natuurlijk ribbels zijn
de uil laat zien dat we niet te moeilijk moeten doen,
moeder natuur laat ons alles leren door goed te kijken,
dat becijferen en geklaag, kost ons energie, die we in een duurzame ontwikkeling moeten steken, zelfs in mijn achtertuin.
De natuur blijft inspireren! Misschien heeft de slechtvalk ook nog leuke tip in petto :-). Hebben jullie ook nog naar andere voorbeelden gekeken, b.v. de “strips” tegen wervelingen op schaats/zwempakken en/of de laatste generatie wingtips van Boeing /Airbus?
De strips op schaats- en zwempakken zijn bedoeld om de grenslaagstroming turbulent te maken (en daarmee de weerstand te verminderen). Bij grote windturbines is de stroming vanwege de hoge snelheid van de bladen al turbulent, en is zo’n strip dus niet nodig. Als je toch een strip toepast kan de weerstand en het geluid zelfs toenemen. Hetzelfde effect kan optreden als het blad vervuild raakt. Bij kleine turbines (lagere snelheden) kan een strip wel helpen om fluittonen te voorkomen. Wingtips hebben we niet overwogen voor dit onderzoek, omdat het meeste geluid van het buitenste deel van de bladen kwam (niet de uiterste tip).
Het onderzoek naar de perceptie van geluid is dubieus, omdat daarbij met vragenlijsten is gewerkt, en de relatie tussen de ge-enqueteerden en de windmolens onderbelicht is gebleven.
Het onderzoek betreft dus alleen subjectieve gegevens.
Uit nederlands onderzoek blijkt dat omwonenden niet significant van mening verschillen afhankelijk van de afstand, tot de windmolen, of het nu 0,4, 4, of 40 km is.
Aangezienhet geluid op die 3 afstanden wel verschil en de perceptie van de mensen in dat onderzoek niet, is geluid dus minder belangrijk voor de opinie over windmolens.
Wat wel belangrijk blijkt, is of de omwonenden de windmolens kunnen zien.
En vanuit de windmolen cooperaties kunnen we melden dat windmolens ook heel anders ervaren worden als het je eigen windmolens zijn.
Wordt dus lid van een windmolen cooperatie in de buurt, en kijk dan naar je eigen windmolens.
De trots die je dan ervaart is groter, naarmate je meer hebt ingezet voor de cooperatie en de realisatie van dat windpark.
Stephan heeft op 28 nov een presentatie gegeven voor leden van de ODE windsectie.
Daar toonde hij hele interessante filmpjes, die vanuit een model gegenereerd worden, en de golven geluid vanuit de windmolen tonen.
Daar kun je zien dat op de grond geen gelijkmatig patroon van geluid intensiteit is te horen.
Precies in het vlak van de rotor is het redelijk stil, maar een beetje naar voren en naar achteren is het geluid maximaal. En verder lijken er vlekken met iets hogere intensiteit vanuit de windmolen te lopen, op sommige banen maar niet overal.
Een beter begrip van dit verschijnsel bij omwonenden zou helpen de variatie beter te accepteren.
Verder vraag ik me af of er bij een rij windmolens nog interactie optreedt tussen de individuele geluidpatronen van de aparte turbines.
Wordt het intensiteitspatroon op de grond dan complexer van of alleen maar waziger?
Verder nog eenopmerking over het plaatje van de windmolen met het kleurige geluidspatroon
De windmolen zien we scherp, doordat het met licht gaat.
Het geuidplaatje lijkt juist onscherp, met geluid dat van naast de wiek lijkt te komen.
Is dat een onscherpte die komt door de methode? Met de matrix van microfoons, die onnauwkeurigheid staat in zijn proefschrift.
Of ook doordat het geluid gemeten wordt door een zelf snel bewegend volume lucht, waardoor de golven een afwijking krijgen? Zoals een scherpschutter moet corrigeren voor zijwind.
Een belangrijk effect van deze conclusie (mogelijke halvering van het geluid) dat een windpark groter kan zijn als de geluidsruimte de beperkende factor is.
Fabrikanten kunnen daardoor meer windmolens verkopen, en zouden zo slim moeten zijn dit onderzoek verder te betalen.
Ook een overheid die worstelt met vastgelopen windpark plannen zou dit onderzoek moeten omarmen.
Zaagtand: wat de foto laat zien lijkt meer op de tanden van een kam, in ieder geval NIET een zaagtand (bekijk een zaag maar eens wat beter).