Pagina 12 van: Aandrijftechniek – nummer 7 – 2018
AANDRIJFTECHNIEK | oktober 201812
constante flow is hiermee de druk waarmee het water op het
schoepenrad spuit, te beïnvloeden.
Als de stromen individueel op de Peltonturbine worden
gespoten, ontstaan meer regelopties. Dan is van elke stroom
de voedingsflow en -druk te beïnvloeden met behulp van een
speerklep. De verwachting is dat de Peltonturbine beter in balans
is te houden met gescheiden zeewaterstromen die op verschil-
lende plaatsen rondom water op de schoepen spuiten. Ook voor
de lagering is dat een voordeel. Maar dat deel van de DOT-turbine
moet nog helemaal worden onderzocht en gemodelleerd.
Koppel- en toerenregeling
Het regelen van een windturbine is niet eenvoudig. Als de
windsnelheid niet hoog is, spreken exploitanten van ‘below-rated
exploration’: de windmolen kan niet op zijn nominale vermogen
draaien. De rotatiesnelheid van de windturbine is variabel. Het
voordeel van het hydraulisch concept is dat men dan een passieve
koppelregeling kan toepassen. Dit komt er op neer dat de druk
in de leiding een kwadratisch verband heeft met de rotatiesnel-
heid en dus de vloeistofstroom. De optimale efficiëntiecurve
van een turbinerotor heeft ook een kwadratische karakteristiek
met de rotatiesnelheid. Variaties in de stroomsnelheid zorgen er
automatisch voor dat het systeem op de optimale curve blijft.
Als er net niet genoeg wind is om de windmolen op zijn opti-
maal vermogen te laten draaien maar wel om het op zijn optimale
toerental te laten draaien, houdt men het toerental constant
en verhoogt men het koppel. Dat gebeurt door actieve regeling
met behulp van de speerklep. Als de windmolen zijn nominale
vermogen heeft bereikt, wordt hij op dat niveau gehouden door
de stand van de rotorbladen aan te passen.
Generator
De snelheid waarmee water uit de zeewatertoevoerleiding naar
de Peltonturbine komt, is afhankelijk van de druk in die leiding.
Uit berekeningen valt af te leiden met welk toerental de turbine
en dus ook de generator zal draaien. Bij ‘Below rated’ is de toevoer
variabel. De speerklep wordt op een constante positie gehouden en
hierdoor varieert de leidingdruk en dus het toegepaste koppel op
de rotor. Op het nominale toerental, maar niet-nominale vermogen
(near rated) wordt het debiet constant gehouden door de positie
van de klep te regelen. Hierdoor varieert de druk in de leiding en
wordt het toerental van de rotor constant gehouden. Op nominaal
vermogen (above rated) is de positie van de klep constant en wordt
de rotorsnelheid gereguleerd door de stand van de bladen aan te
passen. De speerklep heeft als enig doel om de toevoer vanuit de
windturbine (vóór de klep) constant te houden. Voor de klep heerst
een hydrostatische druk, na de klep wordt deze energie omgezet
in een hydrodynamische hoge snelheid waterstraal.
Over drukken gesproken. In de tijdelijke oplossing met het
circuit met minerale olie gaan de drukken tot 210 bar à 250 bar.
In het zeewatercircuit in de huidige situatie gaat het om 60 bar
à 70 bar. In het uiteindelijke concept zonder oliehydraulisch tus-
sencircuit zal de waterdruk vermoedelijk hoger uitvallen en zullen
de stroomsnelheden lager zijn.
Rendement
Het oppompen van vloeistof vanaf de voet van de mast tot
boven in de windturbine, of dat nu hydrauliekolie of zeewater
is, kost energie. Er zijn twee voordrukpompen in het systeem:
aan de toevoerzijde van de oliepomp (gekoppeld aan de rotor) en
aan de toevoerzijde van de waterpomp. Als de vloeistof vanuit
de gondel naar beneden komt, levert dat weer energie op, maar
netto kost dat meer energie dan het oplevert. Bovendien hebben
de toevoerpomp, hogedrukpomp en hydromotor hun eigen ren-
dementskarakteristieken. Dat komt het rendement van het totale
systeem niet ten goede.
Als de windmolen onder zijn nominale vermogen draait, haalt
het totale systeem een rendement van 30 procent. Bij nominaal
vermogen is dat rendement 45 procent. Dat haalt het niet bij het
rendement van een conventionele elektromechanische of een
gearless windturbine. Maar er is naar verwachting verbetering
van het rendement mogelijk. TU Delft en DOT willen eerst en
vooral aantonen dat het concept werkt en dat er een regelsysteem
voor kan worden ontwikkeld. Dat is beide het geval, maar daar
zit niet de primaire winst.
Belangrijker is dat een zeewaterhydraulische windturbine
veel minder componenten telt, betrouwbaarder is en minder
onderhoud vraagt. De operationele kosten zullen dus veel lager
uitvallen. Op de tweede plaats wordt de gondel lichter, waardoor
gondel, mast en fundering lichter worden en plaatsing een stuk
goedkoper. De aanvangsinvestering zal naar verwachting dus
lager zijn dan bij een elektromechanische of gearless windtur-
bine. Maar omdat de ideale waterpomp nog niet bestaat en het
concept nog niet is uitontwikkeld, is geen uitspraak mogelijk
over de kosten per opgewekte MW in vergelijking met bestaande
windturbines.
Slip joint
DOT is bezig met nog een innovatie op het gebied van wind-
turbines. Momenteel worden windturbines met grote funde-
ringspalen op de zeebodem bevestigd. Deze waterbouwkundige
constructies zijn kostbaar. DOT wil de bouw vereenvoudigen
door de mast met een zogeheten slip joint op de fundering te
plaatsen. De fundering is van boven conisch en ook de mastvoet
is conisch uitgevoerd, zodat de mast net als twee koffiebekers
in de fundering schuift. Op dit moment worden de eerste testen
met deze constructie voorbereid. Ook werkt DOT aan de ontwik-
keling van een geschikte waterpomp. <
www.tudelft.nl
Vergelijking van de
samenstelling van
een conventionele
elektromechanische
aandrijftrein en een
hydraulische. Het
verschil in omvang
en massa is in één
oogopslag duidelijk
Generator Tandwielkast Hoofdlager HoofdlagerWaterpomp
09-10-11-12_windmolen.indd 12 17-10-18 16:31