F.Broekhuijzen
ROC Flevoland – ROC Amsterdam

Turbine zetting

De windroos

Je zal ooit wel gemerkt hebben dat de stormachtige winden meestal uit de zelfde richting komen en de wat minder harde winden uit andere richtingen komen. Om dit in kaart te brengen wordt wel gebruik gemaakt van een windroos. Een windroos kan getekend worden op basis van meteorologische observaties van windsnelheden en windrichtingen.

Het plaatje toont de windroos van Brest aan de Atlantische kust in Frankrijk.

Deze windroos verdeeld de horizon in 12 sectors van 30 graden, waarvan de buitenste radius van de brede secties geeft de relatieve frequentie aan van de twaalf windrichtingen, aangeven in procenten van de tijd dat de wind in elke sectie waait. De smallere sectie geeft de zelfde informatie maar den vermenigvuldigd met de gemiddelde windsnelheid van elke richting. Het resultaat is dat het genormaliseerd is tot 100 % dit vertelt ons hoeveel elke sectie gemiddeld bijdraagt aan de windsnelheden van de locatie. Het rode vlakje geeft ook de zelfde informatie als het eerste maar dan vermenigvuldig met de kubieke meter van de wind.

De rode secties zijn dus het meest interessant want die vertellen uiteindelijk de (macht) kracht van de wind waaruit we het rendement van een turbine kunnen uitrekenen. Op het bovenste plaatje is goed te zien dat de meeste windenergie vanuit het zuidwesten komt.

Dus een winroos geeft je verschillende soorten informatie. De relatieve windsnelheid en frequentie vanuit 12 richtingen, De belangrijkste windsnelheden, en de kracht van de gemiddelde windsnelheid.

Windroos variëteit:

Een windroos kan sterk variëren per locatie en is eigenlijk een soort van meteorologische vingerafdruk van een locatie, Bovenstaand plaatje laat een windroos zien van Caen 150 km ten noorden van Brest. Ondanks dat de primaire windrichting het zelfde is (zuid - West) zie je ook dat de andere windrichtingen nihil zijn, daar hoeft dus amper rekening mee gehouden te worden op deze locatie

Het gebruik van de windroos:

De windroos is natuurlijk heel handig om de plaats te bepalen van een windturbine. Het vertelt ons waar de primaire windrichting vandaan komt, en zo is het logisch dat je juist uit die richting geen windruwheid wilt hebben (gebouwen,bergen, bossen). Volgens het bovenstaande plaatje is de primaire windrichting Zuid/West en hoef je over de andere winrichtingen niet druk te maken over landschapruwheid. Er moet wel rekening gehouden worden met het variëren van de windrichting van jaar tot jaar, waar soms per jaar 10% verschil in kan zitten. Dus om tot een betrouwbaar gemiddelde te komen moet men metingen verrichten verdeelt over meerdere jaren.

landschapruwheid

Hoog boven de begane grond, op een hoogte van ongeveer 1 kilometer boven het oppervlak van de aarde, wordt de wind nauwelijks beïnvloed.

In de onderste lagen van de Atmosfeer wordt de wind beïnvloed door de wrijving tegen het oppervlak van de aarde, waardoor winsnelheden beïnvloed worden. In de windenergiesector wordt er onderscheid gemaakt tussen ruwheid van het terrein belemmeringen en de invloed van terreincontouren, die ook wel orografie van het gebied wordt genoemd. We zullen te maken krijgen met orografie wanneer we onderzoek doen naar zogenaamde snelheid/speedup effecten. Tunneleffecten en heuvel- effecten.

Ruwheid:

In het algemeen kan men aannemen hoe ruwer het aardoppervlak is hoe meer de wind wordt vertraagd. Bossen en grote steden vertragen de wind natuurlijk aanzienlijk terwijl landingsbanen op vliegvelden van minder invloed zijn op de wind. Wateroppervlakten zijn nog gladder als de betonnen bulderbanen maar daar aantegen zullen struiken en heesters de wind al aanzienlijk vertragen.

Ruwheidklasse:

In de windindustrie verwijst men naar een ruwheids klasse wanneer men de wincondities evalueert in een landschap. Een hoge ruwheid van klasse 3tot 4 verwijst naar landschappen met veel bomen en gebouwen. Het zeeoppervlak is ruwheidklasse 0. Betonnen oppervlakten zoals landingsbanen en open landschap zijn een ruwheidklasse van 0,5.

De term ruwheidlengte is de werkelijke afstand boven het maaiveld waar de windsnelheid theoretisch 0 zou moeten zijn.

Windschering:

Als we aannemen dat de wind op 100 meter hoogte 10m/s gaat en over landbouwgronden waait met boerderij en windbrekers zoals hagen, zal de wind minder snel waaien over het maaiveld, dit wordt aangeduid met windschering/windshear

Windschering is erg belangrijk voor het ontwerp van windturbines. Stel u zet een molen van 40 meter hoog en een rotordiameter van 40 meter, dan zult u merken dat het uiteinde van de bovenste wiek bv. belast wordt met een windsnelheid van 9m/s en het uiteinde van de onderste wiek met 7m/s. Dat betekent dat de bovenste wiek veel zwaarder belast wordt dan de onderste wiek.

Ruwheidlengtes kan worden gevonden in de windenergie manuel

Windschering formule

De ruwheidsroos

Als we de windsnelheid voor een lange tijd precies op ashoogte zouden meten, precies op de plek waar een windturbine gebouwd zal worden, zouden we een heel betrouwbare voorspelling kunnen doen wat betreft de energie productie. Maar helaas zullen we in de praktijk ook rekening moeten houden met windsnelheden ergens anders in het gebied Dit kan met grote nauwkeurigheid gedaan worden behalve in gebieden met een complex terrein.(erg heuvelachtig of oneffen terrein)

Net zo als we een windroos gebruiken om de windrichtingen te bepalen zo gebruiken we ook een ruwheidsroos om de ruwheid van een terrein rondom de turbine te bepalen.

Normaal gesproken is een ruwheids roos verdeelt in 12 sectors van 30 graden elk zoal in het bovenstaande plaatje. Andere verdelingen zijn ook mogelijk maar in ieder geval moet de ruwheidroos overeenkomen met de windroos.

In principe kunnen we voor elke sector nu een definitie maken met behulp van de Reference Manual, daarna kunnen we de wind speed calculator gebruiken om te bepalen hoe de ruwheid van het terrein de windsnelheid beïnvloed.

Variabele wind:

De windsnelheid is altijd fluctuerende en daarmee is de energie- inhoud van de wind altijd aan veranderingen onderhevig. De grote van de variatie is zowel afhankelijk van het weer en de lokale omstandigheden van het oppervlak en obstakels. De energie opbrengst van een windturbine zal dus variëren als de wind varieert, hoewel de meest snelle variaties zal opgevangen worden door de traagheid van de windturbine rotor. (wieken

Turbulentie:

U heeft waarschijnlijk ervaren hoe hagel of onweer in het bijzonder, zijn vaak geassocieerd met windstoten die zowel de snelheid en richting veranderen.

In gebieden met een zeer oneffen terrein/ oppervlak, en achter belemmeringen zoals gebouwen ontstaat er veel turbulentie, met een zeer onregelmatige wind stroom, vaak in wervelingen .

Hieronder ziet u een voorbeeld hoe turbulentie de schommelingen verhoogt van de windsnelheid in het beeld, die je kan vergelijken met het beeld op de vorige pagina.

Turbulentie vermindert de energie opname van de windturbine aanzienlijk. Het legt ook meer slijtage en schade aan de windturbine, zoals toegelicht in het hoofdstuk over vermoeiingsbelastingen. masten voor windturbines zijn meestal hoog genoeg om turbulentie te voorkomen van de turbulenties in de buurt van het maaiveld.

Wake Effect

Omdat een windturbine zijn energie haalt uit de kracht van de wind zal de wind die de wieken verlaat energie verliezen in verhouding met de wind die de voorkant van de turbine nadert.

Wake effect from wind turbine Picture © Riso National Laboratory, Denmark

Dit vertaalt zich meteen in het begrip dat energie nooit gecreëerd en nooit geconsumeerd kan worden. Als dit verwarrend klinkt kijk eens naar de definitie van energy in the Reference Manual.

Er zal altijd in de winrichting een luwte ontstaan achter de windturbine. De wind wordt naar buiten geslingerd en er ontstaat veel turbulentie waardoor de wind veel van zijn kracht verliest men kan het vergelijken met het kielzog achter een schip.

In een windturbinepark worden de turbines op zijn minst drie maal de diameter van de molen op afstand gezet om turbulentie te voorkomen. Hoe verder turbines ui telkaar staan hoe beter.

Park Effect

Zoals we zagen in de vorige paragraaf over het wake effect, zal elke windturbine vertragen die in de windrichting staat van een andere turbine,

Idealiter zouden we daarom graag de ruimte tussen de turbines zo ver mogelijk uit elkaar zetten in de overheersende windrichting. Aan de andere kant, het landgebruik en de kosten van het aansluiten van windturbines op het elektriciteitsnet geeft ons de neiging om de turbines zo dicht mogelijk bij elkaar te zetten.

Parkaanleg

Als vuistregel geldt, dat de afstanden tussen de turbines in de windparken meestal ergens afstanden tussen 5 en 9 rotordiameters van elkaar in de overheersende windrichting, en tussen 3 en 5 diameters van elkaar in de richting loodrecht op de heersende windrichtingen.

Op deze foto hebben we drie rijen van vijf turbines elk geplaatst in een vrij typisch patroon.

De turbines (de witte stippen) kunnen worden geplaatst 7 diameters van elkaar in de overheersende windrichting, en 4 diameters van elkaar in de richting loodrecht op de heersende windrichtingen.

Energieverlies van het Park Effect

Met kennis van de windturbine rotor, de wind stak op, de Weibull-verdeling en de ruwheid in de verschillende richtingen kunnen fabrikanten of ontwikkelaars berekenen wat het energieverlies als gevolg van turbines schaduw is.

Doorgaans zal het energieverlies ergens rond de 5 procent zijn

Speed up effecten: Tunnel Effect

Als u op een gewone fiets luchtpomp, zal je merken dat de lucht dat het mondstuk verlaat beweegt veel sneller dan de snelheid waarmee u duwt. De reden is natuurlijk dat het mondstuk veel smaller is dan de cilinder in de pomp.

Als u een wandeling tussen hoge gebouwen, of in een smalle bergpas maakt, zult u merken dat hetzelfde effect van toepassing is.

De lucht wordt gecomprimeerd op de winderige kant van de gebouwen of bergen, en zijn snelheid neemt aanzienlijk toe tussen de obstakels voor de wind. Dit staat bekend als een "tunneleffect".

Dus, zelfs indien de algemene windsnelheid in open terrein , laten we zeggen, 6 meter per seconde, kan worden is het gemakkelijk om 9 meter per seconde in een natuurlijke "tunnel"te bereiken.

Het plaatsen van een windturbine in een tunnel zoals deze is een slimme manier van het verkrijgen van hogere windsnelheden dan in de omliggende gebieden.

Voor het verkrijgen van een goede tunnel de tunnel moet de ingang zacht zijn"ingebed in het landschap. In het geval dat er ruwe en oneffen heuvels zijn kan er veel turbulentie in het gebied ontstaan

Teveel turbulentie kan het tunneleffect voordeel geheel ongedaan maken en zelfs nutteloze slijtage of schade aanbrengen aan de turbine.