De werking van een windmolen is een prachtig, complex samenspel van fysische en mechanische factoren. De ontwerper maakt daarom een zorgvuldige afweging van zaken als aerodynamica, balans, materiaal- en bouwkosten, gewicht, stevigheid, duurzaamheid, geluidsproductie en esthetica. Het is een kwestie van eindeloos rekenen, testen en aanpassen.
Het oudst bekende windmolenontwerp stamt uit het eerste-eeuwse Griekenland. Heron van Alexandrië bedacht daar een molen met zestien wieken. Vanaf de 7de eeuw maakten Perziërs de eerste windgedreven graanmolens. Hun ontwerp, de klassieke vierwieker, kwam rond de 12de eeuw met de kruisvaarders mee naar West-Europa. Die molens zorgden voor een ware mechanische revolutie. Ze konden vrijwel alles wat kracht kostte, van graan malen en olie persen tot wol vilten en hout zagen. Plus natuurlijk, in ons laaglandmoeras: eindeloos veel water wegpompen.
Rond 1880 verrezen in Oostenrijk, Schotland en de VS de eerste windmolens die stroom opwekten. Die van Charles Brush in Ohio had maar liefst 144 wieken. De Oudhollandse molen is qua ontwerp veel praktischer – en trouwens ook veel makkelijker te timmeren dan een driebladig ontwerp. De vier wieken zijn namelijk niets anders dan twee gekruiste roeden die in het midden bijeen worden geklemd.
Remmende werking
Maar die 144 wieken van Charles Brush vangen wel heel veel wind, en zetten dus veel windkracht om in rotatie van de molenas. Toch is dat niet heel efficiënt, want diezelfde 144 wieken ondervinden elk ook luchtweerstand tijdens het ronddraaien. Dat werkt remmend.
Al met al blijkt de efficiëntie van de windmolen (welk percentage van de windenergie wordt omgezet in mechanische of elektrische energie) samen te hangen met de rotatiesnelheid van de wieken. Hoe sneller een molen draait, hoe efficiënter hij is. (Hoewel daar wel een theoretisch maximum aan blijkt te zitten, de zogeheten Betzlimiet: een molen kan maximaal 59,3 procent van de windenergie invangen.) En hoe minder wieken, hoe sneller de molen kan draaien, simpelweg omdat er dan minder luchtweerstand is. Aan de andere kant betekent minder wieken ook minder krachtomzetting.
Er is dus een optimum: een draaisnelheid waarbij de molen maximaal efficiënt is. Het leuke is nu dat dit optimum bij elk molenontwerp anders ligt. Dat ligt weer aan de combinatie van de aerodynamica van de wieken en de mechanische beperkingen van het ontwerp: als een molen te snel draait, gaat hij kapot. De Oudhollandse molen met zijn vier wieken blijkt bij zijn optimale draaisnelheid iets minder dan 30 procent van de windenergie te benutten. De veelbladige poldermolens met zo’n tien tot twintig bladen draaien langzamer, maar halen wel net iets méér dan 30 procent efficiëntie.
Moderne twee- en driebladige windturbines halen rond de 50 procent, met hun hoge draaisnelheden. De driebladige winnen het nét van de tweebladige, maar vergen wel meer materiaal. Daar staat tegenover dat ze minder wiebelen dan de tweebladige.
De toekomst brengt wellicht windmolens die helemáál geen wieken hebben. Het Spaanse bedrijf Vortex Bladeless werkt aan een turbine die eruitziet als een gigantisch potlood. De turbulentie die achter de schacht ontstaat, laat het bouwsel heen en weer zwiepen. Die energie wordt ingevangen met dynamo’s. Het geheel is veel efficiënter dan een molen met wieken, volgens de Spanjaarden, en ook nog eens mooier en materiaalzuiniger.