Afdrukken

Het maximaliseren van de opbrengst van een windmolen

Bron: Brian Raichle & Brent Summerville (homepower #126)

Na de keuze van het type windmolen staat de gebruiker meteen gesteld voor het beantwoorden van de vraag hoe hoog de mast dient te worden. hier geldt onmiskenbaar: hoe hoger hoe beter. Maar hoger betekent ook duurder. De vraag omtrent de masthoogte wordt al wat duidelijker als we ons beraden over de beste terugverdientijd van de investering. Dat zijn vaak persoonlijke afwegingen. In technische zin wordt door deskundigen doorgaans aangenomen dat de onderkant van de wieken binnen 150 meter minstens negen meter meter boven het hoogste obstakel moeten uitsteken.

windscherings coefficient

Stel dat een rij bomen op 100 meter een hoogte heeft van 18 meter, dan zal de afstand tot aan de onderkant van de wieken 27 (18 + 9) meter moeten zijn. Daaruit volgt, dat bij een wiek van 2 meter, de mast 29 meter hoog zal moeten worden. Deze stelregel gaat voor de meeste locaties op. Uitgezonderd waar de windstroom door een abrupt obstakel wordt onderbroken zoals een hoog gebouw of een dichte bosrand. In dat geval zou de afstand 1 kilometer moeten zijn om de windstoring ter hoogte van de molen op te heffen. Deze 9/150-regel is best altijd toe te passen. Anders komt de windturbine in een te turbulente omgeving te staan, met als gevolg een verminderde opbrengst en hogere onderhoudskosten.

[[wiktisource:Windschering|nw:Windschering]] ([[wiktisource:wind shear|nw:wind shear]]): windturbines worden altijd op een mast geplaatst omdat de windsnelheid daar hoger is en de storende turbulentie door het aardoppervlak minder. Dit fenomeen van het toenemen van de windsnelheid in relatie tot 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 windscheringcoëfficiënt en geeft uitdrukking aan de variabele dat de windsnelheid toeneemt naarmate je hoger meet.

Windscheringcoëfficiënt

Net zoals vloerbedekking méér wrijvingsweerstand heeft dan een gladde houten vloer, zo ondervind ook de wind net boven het aardoppervlak een hogere weerstand, en meer naarmate er zich objecten als gebouwen en bomen bevinden. Open terrein met lage begroeiing en 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. In Paul Gipe’s boek en in het artikel HP40 van Mick Sagrillo, worden methoden beschreven om de lokale windscheringcoëfficiënt te bepalen. Als indicatie zou je ook de tabel kunnen gebruiken.windscherings coefficient

Er zijn verschillende type masten, namelijk de rechte paal of een vakwerkmast. Deze twee typen 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.

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

Al deze systemen zijn als net gekoppelde systemen uitgevoerd, dus voeden hun stroom direct op het elektriciteitsnet. Voor de berekeningen is de gemiddelde windsnelheid bepaald op 5 m/s gemeten op 10 meter hoogte, voor de windscheringcoëfficiënt van 0,1 tot 0,6. De berekende opbrengst (kWh) is aan de hand van de vermogenscurve die door de fabrikant werd verstrekt bepaald. De kosten per kWh zijn berekend aan de hand van de totale investering van de turbine, mast, omvormer etc. en een levensduur van 20 jaar.
excel met tuidraden

berekening met tuidradenSpreadsheet berekening met tuidraden

Resultaten van de Excel-S: de kosten van energie (KOE) zijn voor een viertal masttypen berekend, getuide vakwerk, getuide paal en strijkbaar, vrijstaand vakwerk en een vrijstaande paal. Dit alles bij een zestal windscheringcoëfficiënten. 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 vakwerkmast en de getuide strijkbare vakwerkmast. Voor deze masten zie je in de grafieken dat bij een stijgende masthoogte de kosten (KOE) verminderen, ongeacht de windscheringcoëfficiënt (a). Bij de vrijstaande vakwerkmast en de vrijstaande paal, zie je dat bij de laagste windschering de kosten toenemen. Bij de vrijstaande paal zie je zelfs dat de kosten boven de 27½ meter gelijk blijven.

skyMonoEen alternatieve manier om het rendement van de investering te bepalen, is door de kostenstijging van 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 echter bij een windschering van 0,1 ongeveer 6,2% méér energie. Uitgaande van een windschering van 0,6 krijg je zelfs 26% meer opgewekte energie. Dit geeft 388% verhoging van de terugverdienfactor (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.

are 110Skystream

Resultaten van de Skystream 3.7. Voor deze turbine zijn van het masttype enkelvoudige paal mastlengten van 10 en 14 meter beschikbaar. Van de getuide strijkbare paalmasten zijn mastlengten van 19½, 26, 32 en 39 meter beschikbaar. Door deze verschillen kunnen de te verwachten resultaten niet 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 ARE110 getuide mast.

Resultaten van de ARE110

De ARE110 is geëvalueerd aan de hand van een getuide strijkbare paalmast in de lengten van 14 tot 39 meter. Zoals de voorgaande berekeningen hebben laten zien is er weinig economische reden om de hoogste mast in te zetten bij de laagste windschering, al geeft de hoogste mast de laagste energiekosten (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 windscheringcoëfficiënt. Bij een lage coëfficiënt, zoals een vlak gebied of de kuststreek, maximaliseer je de return on investment  door aan de basisregel voor het plaatsen van een mast te voldoen (9 meter boven hoogste obstakel en 150 meter verwijderd). Op locaties waar een hoge windscheringcoëfficiënt geldt, kun je het beste de hoogst plaatsbare mast toepassen. Deze bevindingen hebben betrekking op kleine windturbinesystemen. De factoren die bijvoorbeeld niet zijn meegenomen, zijn de kosten van reparatie en de kostenreductie bij turbulente sites in een hoog windscheringgebied. Hieronder hebben we in een aantal punten weergegeven hoe je na de keuze van een turbine het beste de meest economische masthoogte kunt bepalen:

Net als met de aanschaf van kleding en bier, zijn het niet alleen de kosten die de keuze bepalen je zult ook rekening houden met andere aspecten: de lokale omstandigheden, vergunningen, esthetica, de (on)mogelijkheden van een plek voor de mast, zoals de vraag of de locatie met een kraan te bereiken is. Overtuig jezelf ervan dat je een systeem gaat bouwt waar je helemaal achter kunt staan en waarmee je jaren mee vooruit kunt.

Joomla SEF URLs by Artio