De eerste vraag die een windturbine consument stelt is welke windmolen schaffen we aan een tweede vraag is vaak hoe hoog wordt de mast. Het vaak gehoorde mantra is ‘hoe hoger hoe beter’ maar hoger betekent ook duurder. Maar welke hoogte geeft nu de beste terugverdientijd van je investering (return on incremental investment).
Volgens experts moet binnen een afstand van 150 meter de onderkant van de wieken minstens 9 meter boven het hoogste obstakel uitsteken. Stel bijvoorbeeld dat een rij bomen een kleine 100 meter verwijderd is en een hoogte heeft van 18 meter dan zal de afstand tot aan de onderkant van de wieken 27 (18 + 9) meter moeten zijn. Dit komt resulteert bij een wiek grote van 2 meter dat de mast 29 meter hoog zal moeten worden. Deze stelregel geld voor de meeste locaties met uitzondering van locaties waar de windstroom onderbroken wordt door een abrupt obstakel zoals een hoog gebouw of een dichte bosrand in dat geval zou de afstand 1 km moeten zijn om het effect van verstoring op te heffen.
Deze regel van 9/150 zou je altijd toe moeten passen omdat je de turbine anders in een turbulente omgeving plaatst met een verminderde opbrengst en hogere onderhoudskosten als resultaat.

Windschering (wind shear): wind  turbines worden altijd op een mast geplaatst omdat de windsnelheid daar hoger is en de turbulentie minder. Als de hoogte toeneemt, zal de verstoring van de wind door het aard op

per vlak verminderen. Dit fenomeen van het toenemen van de snelheid bij het toenemen van de hoogte wordt ‘windschering’ genoemd. De formule die hier uitdrukking aan geeft is:

V staat voor de windsnelheid en H voor de daarbij horende hoogte, a is de windscherings coëfficiënt en geeft uitdrukking aan het feit dat de windsnelheid toeneemt naarmate je hoger meet.

Net zoals vloerbedekking méér wrijvingsweerstand heeft dan een houten vloer zo heeft ook de wind net boven het aardoppervlak een hogere weerstand die afhankelijk is van de obstakels. Een platte topografie (zoals open veld, water) heeft een windschering coëfficiënt van 0,1 – 0,15 terwijl een heuvelig, begroeid of bebouwde omgeving een coëfficiënt kent van 0,3 – 0,6. Het is van belang om deze coëfficiënt voor jouw locatie te kennen om te bepalen wat de meest economische hoogte is.
In Paul Gipe’s boek of in het artikel HP40 van Mick Sagrillo worden methoden gegeven om de lokale windschering coëfficiënt te bepalen. Om een indicatie te hebben zou je bovenstaande tabel kunnen gebruiken.

Er zijn verschillende type masten te onderscheiden namelijk de rechte paal of een vakwerk mast, deze twee typen mast zijn op een drietal manieren te plaatsen namelijk met tuidraden en strijkbaar, met tuidraden vaststaand of je kunt de mast losstaand plaatsen zoals de meeste grote windmolens geplaatst worden.

Om een bruikbaar voorbeeld uit te werken is een testsituatie opgezet met:

• Bergey Windpower’s Excel-S (6,7 meter-diameter rotor)
• Southwest Windpower’s Skystream 3.7 (3,66 meter -diameter rotor)
• Abundant Renewable Energy’s ARE110 (3,6 meter -diameter rotor)

Alle systemen zijn geïnstalleerd als netgekoppelde systemen, dus leveren direct aan de elektriciteit maatschappij. Voor de berekeningen is de gemiddelde windsnelheid bepaald op 5 m/s gemeten op 10 meter hoogte, voor de windschering coëfficiënt van 0,1 tot 0,6.
De berekende waarde van de opbrengst (kWh) is bepaald aan de hand van de vermogens curve die door de fabrikant verstrekt zijn. De kosten per kWh zijn berekend op basis van de totale investering (turbine, mast omvormer etc.) en een levensduur van 20 jaar.
 

Resultaten van de Excel-S: De kosten van energie (KOE) zijn voor een viertal typen mast berekend (getuide vakwerk, getuide paal strijkbaar, vrijstaand vakwerk, vrijstaande paal) bij een zestal windscherings coëfficiënten. Deze masten zijn beschikbaar via Bergey voor een hoogte van 18, 25, 27½. 30 en 36 meter. De berekende resultaten zijn voor een gemiddelde windsnelheid van 5 m/s gemeten op een hoogte van 10 meter. In de tabellen zie je de uitwerking voor de getuide vaststaande vakwerk mast en de getuide strijkbare vakwerk mast. Voor deze masten zie je in de grafieken dat bij een stijgende hoogte de kosten (KOE) verminderen ongeacht de windscherings coëfficiënt (a). Bij de vrijstaande vakwerkmast en de vrijstaande paal zie dat bij de laagste windschering de kosten toenemen. Bij de vrijstaande paal zie je zelfs dat de kosten boven de 27½ meter gelijk blijven.
Een alternatieve manier om de effectiviteit van de investering te bepalen is door de kosten stijging voor een hogere mast af te zetten tegen de toename in opbrengst. Als voorbeeld zien we dat de kosten 1,6% stijgen als we van een 18 meter mast naar een 27½ meter mast gaan. Hiervoor krijg je dan bij een windschering van 0,1 ongeveer 6,2% méér energie, bij een windschering van 0,6 krijg je 26% meer energie. Dit geeft 388% verhoging op de terug verdien factor (return on incremental investment = ROII) en bij de hogere windschering een verhoging van 1640%. Welke investeerder zou niet heel blij worden bij een return on investment van meer dan 1000%. Hoewel de ROII afneemt bij het investeren in hele hoge masten wordt deze toch niet kleiner dan 200%. Als je uitgangspunt niet alleen de economie is maar de totale opbrengst dan zal de return on investment niet leidend zijn.

Resultaten van de Skystream 3.7 voor deze turbine zijn van de enkelvoudige paal masten de lengtes 10 en 14 meter beschikbaar van de getuide strijkbare paalmasten zijn de lengtes 19½, 26, 32 en 39 meter beschikbaar. Hierdoor kunnen de resultaten niet helemaal nauwkeurig met elkaar vergeleken worden. Bij de laagste windschering zie je in de grafiek een kleine stijging van de kosten, bij de andere windscheringen zie je weer een duidelijk dalende trend. De return on investment grafiek laat het grootste percentage zien als je van 14 naar 19½ meter gaat. Dit is verklaarbaar omdat de kosten van deze masten nagenoeg gelijk zijn. De return on investment neemt daarna af tot nog een respectabele 100% met uitzondering van de laagste windschering.

Resultaten van de ARE110 de ARE is geëvalueerd aan de hand van een getuide strijkbare paalmast in de lengtes van 14 tot 39 meter. Zoals de voorgaande berekeningen hebben laten zien is er weinig economische reden om de hoogste mast aan te schaffen bij de laagste windschering al geeft de hoogste mast de laagste energie kosten (KOE). De hoogste ROII vind je als je van een korte mast naar een hogere mast gaat op locaties waar een hoge windschering geldt.

Als we de vraag “Is hoger beter?” uitsluitend economisch benaderen dan blijkt deze afhankelijk te zijn van de windscherings coëfficiënt. Bij een lage coëfficiënt zoals een vlak gebied of de kuststreek maximaliseer je de return on investment  door aan de basis regel van het plaatsen van een mast te voldoen (9 meter boven hoogste obstakel en 150 meter verwijderd). Op locaties waar een hoge windscherings coëfficiënt geldt, kun je het beste de hoogst plaatsbare mast aanschaffen. Deze bevindingen hebben betrekking op kleine windturbine systemen. De factoren die bijvoorbeeld niet meegenomen zijn de kosten van reparatie en de kosten reductie bij turbulente sites in een hoog windscherings gebied.
Hieronder hebben we in een aantal punten weer gegeven hoe je na de keuze van een turbine het beste de meest economische mast hoogte kunt bepalen:
1.    bekijk de locatie goed en zoek naar een plek met weinig obstructie het liefst op een hoger gelegen plek
2.    bepaal de minimum hoogte op basis van de regel 9 meter boven obstakel binnen de cirkel van 150 meter
3.    kies een mast type die bij je budget past, esthetisch verantwoord is en bij de locatie past
4.    schat je lokale windscherings coëfficiënt door de tabel te gebruiken
5.    maak een berekening hoe jouw kosten toename afweegt tegen een verhoogde opbrengst (ROII), behalve op een locatie met een lage windschering zal een investering in een hogere mast zich snel terug verdienen
6.    hou in gedachte dat dit een globale inschatting methode is, als je een nauwkeuriger beeld wilt hebben zul je een professional in moeten schakelen

Zoals met kleding en bier zijn het niet alleen de kosten die de keuze bepalen je zult ook rekening moeten houden de lokale omstandigheden, vergunningen problematiek, esthetica, de mogelijkheden voor een goede mast basis en of de locatie met een kraan te bereiken is. Overtuig jezelf ervan dat je een systeem bouwt wat je zelf wilt en waarvan je zeker bent dat je er jaren mee kunt leven.