Wind en omgeving

Windpotentieel en de bebouwde omgeving

Wind

Wind is een gevolg van drukverschillen in de atmosfeer; de snelheid en richting worden bepaald door de drukverschillen en de afstand tussen de kernen van hoge en lage druk.
Op voldoende grote hoogte – 100 m – zijn windsnelheid en richting in een gebied gelijk, maar dichtbij de grond verandert het patroon als gevolg van de weerstand die de wind op zijn weg ontmoet. Op grondniveau is de windsnelheid altijd nul. Afhankelijk van het oppervlak waarover de wind scheert neemt die snelheid met toenemende hoogte meer of minder snel toe.
Een wateroppervlak biedt weinig weerstand en dus is op geringe hoogte de wind al goed merkbaar.
In een stad wordt de wind sterk geremd. Tussen huizen vind wel luchtbeweging plaats, maar dat is turbulentie, geen wind. Er is pas sprake van wind boven de gemiddelde bebouwingshoogte, vaak is dat op 10 meter en hoger.
Windmetingen worden uitgevoerd op 10 m hoogte boven het maaiveld of worden naar die hoogte omgerekend.

Windsnelheid

De windsnelheid op een bepaalde locatie wordt bepaald door de geografische locatie, de hoogte en de terreinruwheid. Voor Nederland zijn de terreinruwheid en de gemiddelde windsnelheid door het KNMI in ‘vlekkenkaarten’ weergegeven.

De gemiddelde windsnelheid per gebied

De specifieke situatie op een locatie is zo bepalend voor de windcondities op die locatie, dat het onmogelijk is een algemene uitspraak over de opbrengst van een windturbine te doen. Turby heeft samen met het Instituut voor Windenergie van de TU Delft een rekenprogramma ontwikkeld waarmee op basis van de gemiddelde terreinruwheid en de gemiddelde windsnelheid voor een honderdtal gebieden in Nederland op verschillende hoogtes de windsnelheidsverdeling kan worden berekend waarmee vervolgens een raming kan worden gemaakt van de te verwachten opbrengst. De resultaten van die berekeningen zijn weergegeven in onderstaande tabel en grafiek per tiental postcodegebieden; daarin kunt u de verwachting voor uw omgeving aflezen. Overigens ziet u in deze grafieken ook heel goed hoe de windsnelheid en opbrengst toenemen wanneer de hoogte toeneemt.


De voorgaande tabel en grafiek zijn indicatief omdat de gebouwde omgeving aparte aspecten kent die bepalend zijn voor windsnelheid en opbrengst. Wind zoekt de weg van de minste weerstand en gaat dus om obstakels heen. Langs de randen van die obstakels treedt verhoging op van zowel de snelheid en dichtheid van de wind. Door die ‘windstuwing’ is het energieaanbod door de wind een veelvoud van die in de ongestoorde stroming. Die snelheidsverhoging is een gevolg van het samenstel van de wind die horizontaal over het gebouw gaat met de verticaal opstijgende wind die langs de gevel omhoog komt. Turby heeft bewezen over de unieke eigenschap te beschikken om deze verticale component in de wind te kunnen benutten en daarbij zelfs een hoger aërodynamisch rendement te hebben. Om van deze voordelen te profiteren is een juiste plaatsing van de turbine van groot belang. Wordt een turbine geplaatst in de ‘windschaduw’ (luwte) van een groot obstakel dan kan dat de opbrengst reduceren tot de helft of minder. 
Wind in de gebouwde omgeving

Omdat windturbines voor de gebouwde omgeving per definitie klein zijn worden die verschijnselen niet door middeling genivelleerd en zijn deze fenomenen dus in hoge mate bepalend voor de opbrengst.

Wind over gebouwen

Onderstaand zijn resultaten van computerberekeningen weergegeven van wind rond obstakels.
Het eerste beeld toont het effect van een lang (haaks op het tekenvlak) obstakel op de windstroming rond dat obstakel. De effecten van het obstakel op de wind manifesteren zich al ruim voor de wind het obstakel bereikt, en houden nog lang erna aan.

Het blijkt uit deze figuren dat wind vanaf de rand van het obstakel passeert, met een hoek van 30 – 40 graden wegbuigend van het obstakel. De wind passeert het dak van een gebouw vanaf de dakrand schuin omhoog. Onder die lijn is er slechts sprake van turbulentie, niet van wind. Een windturbine pal op het dak produceert daarom weinig energie. Er is een mast nodig, die de turbine boven de turbulentie plaatst. Daarmee profiteert de turbine van de potentiële voordelen van een 20 tot 40% hogere snelheid en een hogere dichtheid van de wind boven de turbulentielaag.
En 20 tot 40% meer snelheid betekent een vermogensaanbod dat 2-3 maal hoger is dan in de horizontale stroming. Mits de windturbine die schuin invallende wind kan benutten levert dat een groot voordeel op, Turby kan dat zo is bewezen in de windtunnel.

3D-weergave van een gebouw met turbulentie achter, en vlak boven het dak. De windturbine heeft vanwege zijn mastopstelling profijt van de hogere snelheid een aantal meter boven het dak. Bron: Promotie onderzoek Sander Mertens, TU Delft, faculteit windenergie.

Heersende windrichting en plaats op het dak

Een windturbine op een dak moet boven de turbulentielaag worden opgesteld. Het lijkt voor de hand te liggen een plaats te kiezen nabij de dakrand waar de heersende wind op invalt. Immers dan kan met een lagere mast worden volstaan, wat vanwege lagere kosten en een makkelijkere vergunningaanvraag aantrekkelijk is. Deze gedachte berust op een verkeerd beeld over de ‘heersende wind’. Analyse van de meetgegevens (European Windatlas en KNMI) leidt tot een andere conclusie. Een windturbine op een dak moet zo centraal mogelijk worden opgesteld.
Voor de windsnelheden die voor kleine windturbines relevant zijn, tussen 4 en 14 m/s, is het effect van de voorkeurswind richting relatief gering. In Nederland komt de wind tussen 30 en 40% van de tijd uit het zuidwest kwadrant; in geval van een gelijkmatige verdeling zou dat 25% zijn.
Plaatsing op die zijde van het dak waarop de voorkeurswindrichting invalt, is beter dan op een willekeurige zijde, maar beduidend slechter dan plaatsing midden op het dak. In het laatste geval is de opbrengst tot wel 2,5 maal hoger.

Turby in de gebouwde omgeving

Een boeiende vraag is, hoe een windturbine die schuin van onder wordt aangestroomd zich gedraagt. Turby heeft dat voor haar windturbine in de windtunnel van de Technische Universiteit Delft onderzocht. Het resultaat verbijsterde de onderzoekers. Waar een normale windturbine het hoogste rendement haalt bij haaks op de rotor invallende wind, produceerde Turby schuin van onder aangestroomd, een vermogen alsof de wind haaks en met volle snelheid inkwam. Dit ging gepaard met een aërodynamisch rendement van 40%! De verklaring voor deze prestatie ligt deels in de scheefstelling van het blad, waardoor schuin inkomende wind meer dan een recht inkomende wind het beoogde profiel ontmoet. Een andere verklaring is het ‘3-D karakter’ van de Turby rotor, waardoor sprake is van een schijnbare oppervlakte vergroting. De wind kan namelijk ongestoord de achterliggende bladen bereiken en daar extra vermogen afleveren.
Turby kan de schuin van onder aanstromende wind volledig benutten en met een extra hoog rendement omzetten in elektriciteit. De metingen doen verwachten dat de opbrengst wel 2 of meer maal hoger kan zijn dan overeenkomt met het bestreken oppervlak. Horizontale as windturbines ervaren wel de hinder – namelijk grotere krachten op de rotor- maar niet de voordelen van de schuin inkomende wind. Of andere verticale as turbines dit effect kunnen benutten is onbekend; in de literatuur zijn geen ander turbines dan Turby gevonden.