Resultaten en bevindingen van project Onderzoek en ontwikkeling voor een kleinschalige windturbine met venturi en geluidsdemper Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 2005 en 2011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE). Datum 3 december 2010 Status Definitief DonQi Quandary Innovations in opdracht van Agentschap NL
Colofon Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon Onderzoek en ontwikkeling voor een kleinschalige windturbine met venturi en geluidsdemper Energie Onderzoek Subsidie Nieuw Energie Onderzoek NEOT04003 DonQi Quandary Innovations Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.
Openbaar eindrapport Energie Onderzoek Subsidie: Nieuw Energieonderzoek Projectnummer: Projecttitel: geluidsdemper OT04003 Datum: 3 december 2010 Onderzoek en ontwikkeling voor een kleinschalige windturbine met venturi en Naam penvoerder: DonQi Quandary Innovations Versie ANL012010V1 1
De ondersteuning door de subsidie, die beschikbaar is gesteld door het Agentschap NL vanuit het EOS NEO programma is een belangrijke stap geweest voor het succes van dit onderzoek. Tijdens het project werd nauw samengewerkt met verschillende Nederlandse (en een Belgische) kennisinstituten, ontwikkelings-bedrijven en industriële ondernemingen. Dit waren onder andere de TU Delft, NLR, Van Karrman Institute, Betronic, Elsto, Magnetic Innovations, Creussen Motor Technology, PIAK, VDL Wientjes, Light Weight Structures, AWA Molding en HES Silicones BV. Hoewel de doelstelling van dit onderzoek het proof of concept van een kleinschalige windturbine met venturi (of diffusor) en geluidsdemper was, heeft de bijdrage van deze partners geresulteerd in een marktrijp product, dat de komende tijd regelmatig in de gebouwde omgeving als energieopwekker en imago-versterker zal worden toegepast. Het onderzoek had als doel om een antwoord op de volgende vragen te geven: 1. Levert de windturbine met venturi de hogere power-output dan een vergelijkbare diameter turbine; 2. Kan het probleem van loslating in de venturi worden ondervangen door ontwerpverbeteringen; 3. Is de rotor en transmissie zodanig ontworpen dat veilig en efficiënt bij alle windsnelheden gewerkt wordt; 4. Is de lengte en demping van de geluidsdemper voldoende om het geluidniveau van de windturbine beneden het omgevingsgeluid te houden. De onderzoeksvragen zijn in meer of mindere mate positief beantwoord. Hoewel het theoretisch CFD model aangaf dat grotere versnellingen gehaald zouden worden, wordt de rendementsdoelstelling van 1400 kwh bij gemiddeld 4,5 m/s voor 80% gehaald en levert een 42% hoger rendement dan vergelijkbare diameter windturbines zonder venturi. Er treedt geen loslating op in de venturi. De windmolen kan veilig toegepast worden in windklasse 1 gebieden en levert stroom vanaf 3 m/s tot 26 m/s. Hierna wordt deze mechanisch geremd en in geval van afbrekende wieken worden deze door de constructie geneutraliseerd. Het geluid vormt, subjectief gezien, geen probleem en ligt objectief gezien 1 à 2 db(a) boven omgevingsgeluid door geluidsdemper in combinatie met regeling van toerental. Bij aanvang van het Nieuw Energie Onderzoek zijn er echter een aantal zaken qua complexiteit en leadtime onderschat. Dit blijkt bij de ontwikkeling van kleinschalige windturbines (en misschien wel alle hoog-technologische producten) meer regel dan uitzondering. De integrale benadering van de ontwikkeling is in het proces kritiek gebleken. Binnen het onderzoek bleken met name de volgende deelontwerpen en de samenhang daarvan kritiek: 1. de constructie met venturi 2. het ontwerp van de wieken 3. het ontwerp van de generator 4. de omvormer Uitdagingen op deze deelgebieden zijn geweest: Versie ANL012010V1 2
de aansluiting van het theoretisch CFD model op de praktijk, wat betreft het ontwerp van de generator en wieken op basis van de voorspelde en gemeten windsnelheid en stromingsprofiel; om de omvormer voldoende responsief en robuust te maken ten opzichte van de wisseling van de windsnelheid; om de constructie dusdanig te ontwerpen dat deze bestand was tegen de dynamische krachten die in het veld optraden; om efficiency en kostprijs in balans te brengen. De eerste vernieuwende ideeën om de DonQi windmolen geschikt te maken voor de bebouwde omgeving waren een geluidsdemper rond de wieken en deze in een venturi te plaatsen. Deze venturi richt de luchtstroom op de wieken en versnelt de luchtstroom. Hiermee is het mogelijk om sneller energie uit de luchtstroom te halen en tevens turbulentie op de wieken te verminderen. Er wordt gebruik gemaakt van een speciaal ontworpen en zeer kleine 2 kw generator. De inverter heeft een innovatieve besturing gekregen. De grootste innovatie is, dat het met slechts één elektronische schakelaar de generator-wisselstroom omgezet wordt naar hoog-voltage gelijkstroom. Tevens heeft de constructie enkele speciale karakteristieken die de betrouwbaarheid garanderen en de overlast voor de gebouwde omgeving beperken. De donqi produceert jaarlijks bij 4,5 m/s gemiddeld 1200 kwh en bespaart daarmee 590 kg CO2 per jaar. Voor de decentrale energieopwekking in de gebouwde omgeving is het noodzakelijk om een combinatie van technieken toe te passen om enerzijds voldoende energie op te wekken (alleen zon is niet voldoende) om zo richting een passief of energie-neutrale omgeving te creëren en anderzijds een betere balans in de energieopwekking te creëren (als de zon niet schijnt waait het). Het onderzoek heeft verschillende nieuwe inzichten en aanleidingen voor vervolgonderzoek opgeleverd, waarmee kleinschalige windturbines succesvoller ingezet kunnen gaan worden. De prijsprestatie-verhouding kan verder verbeterd worden door enerzijds kostprijsverlaging van de turbine en anderzijds de vergroting van de diameter. Tevens wordt er verder onderzoek gedaan in samenwerking met de TU Delft naar verbetering van de venturi en wieken en de vergroting van de turbine naar 7 meter diameter. Dit biedt interessante aanknopingspunten voor bijvoorbeeld de utiliteitssector vanuit oogpunt van totaal beschikbaar 50 kw bij 250 RPM en de beoogde jaaropbrengst van 27.000 kwh bij 4,5 m/s en 61.000 kwh bij 6 m/s. Er zal ook een permanent onderzoek worden gestart naar de mogelijkheden van verdere optimalisatie van het geluidsniveau. Last, but not least is een belangrijk aandachtspunt de opstelling en plaatsingsmogelijkheden van de windturbine. Hierop is een uitgebreid onderzoeksproject (EFRO) met de TU Delft en enkele regionale partners gestart. Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, regeling EOS: Nieuw Energieonderzoek, uitgevoerd door Agentschap NL. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met Robert Snijder, Tel +31 10 2130388 of info@donqi.eu Versie ANL012010V1 3