Turby Windenergie

Wind is een gevolg van drukverschillen in de atmosfeer; de snelheid en richting worden bepaald door de mate van drukverschil en de afstand van de kernen van hoge en lage druk. Op voldoende grote hoogte – 100 m – zijn windsnelheid en richting in een groot gebied gelijk. 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 terrein 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. Daarom ervaren we dat het op het water altijd waait. In een stad wordt de wind sterk geremd. 2 Tussen huizen vind wel luchtbeweging plaats, maar dat is turbulentie, geen wind. Er is eerst sprake van wind boven de gemiddelde bebouwingshoogte; het referentie vlak van de wind ligt in de gebouwde omgeving op tien meter hoogte of hoger. Windmetingen worden uitgevoerd op 10 m hoogte boven het maaiveld of worden naar die hoogte omgerekend. Als voor een gebied de gemiddelde windsnelheid, de meethoogte en de terreinruwheid van de meetplaats bekend zijn kan daaruit voor een opstelplaats in die omgeving de windsnelheidsverdeling op de opstelplaats worden berekend, mits de terreinruwheid op de opstelplaats bekend is. De windsnelheid op een bepaalde locatie wordt bepaald door de geografische locatie, de hoogte en de terreinruwheid.

De gemiddelde windsnelheid: Op grond van deze gegevens heeft het Turby team – samen met het Instituut voor Windenergie van de TU Delft – een rekenprogramma ontwikkeld waarmee voor een honderdtal gebieden in Nederland (onderscheiden naar postcode), de gemiddelde jaaropbrengst op verschillende hoogtes kan worden berekend. Uit de windsnelheidsverdeling, die aangeeft hoeveel uren per jaar het waait op die plaats en die hoogte en hoe hard, en de vermogenskromme van de turbine kan een opbrengstprognose voor die windturbine op die plaats en die hoogte worden berekend. N.B. Het heeft dus geen zin te vragen naar de opbrengst van een windturbine, die vraag is in zijn algemeenheid niet te beantwoorden. De resultaten van die berekeningen zijn weergegeven in onderstaande grafiekenschaar. Bij deze notitie zijn karakteristiekenscharen opgenomen per tiental postcodegebieden; daarin kunt u de verwachting voor uw omgeving aflezen. Let op de snelheid waarmee de opbrengst toeneemt met toenemende hoogte; die is een gevolg van de derde macht relatie tussen windsnelheid en windenergie. 8 Wind in de gebouwde omgeving In het voorgaande is het gedrag van wind in macro termen besproken. Voor windturbines als Turby is evenwel het micro gedrag bepalend en dat kan behoorlijk afwijken. Wind zoekt de weg van de minste weerstand en gaat dus om obstakels heen. Langs de randen van die obstakels treden zowel snelheid -, als dichtheidsverhoging op. Als – door juiste turbinekeus en gunstige plaatsing – daarvan gebruik wordt gemaakt kan de opbrengst van die turbine verdubbelen. Wordt een turbine geplaatst in de windschaduw (luwte) van een groot obstakel dan kan de opbrengst halveren. Omdat windturbines voor de gebouwde omgeving per definitie klein zijn worden die verschijnselen niet door middeling genivelleerd. Deze fenomenen zijn dus in hoge mate bepalend voor de opbrengst. Wind over gebouwen. De figuren op deze bladzijde geven de resultaten van computer berekeningen weer die een beeld geven van wind rond obstakels.

Merk op dat de afwijkingen al ruim voor de wind het obstakel bereikt aanvagen en dat deze tot ver na het obstakel voortduren. Uit de figuren blijkt dat wind de randen van een obstakel passeert met een hoek van 30 – 40 0 wegbuigend van het gebouw. De wind passeert over 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 kan daarom geen redelijke opbrengst produceren. Daarom is een mast nodig, die de turbine boven de turbulentie plaatst. Dat levert direct een potentieel voordeel vanwege de 20 – 40 % hogere snelheid die de wind net boven de turbulentielaag heeft t.o.v. de horizontaal aanstromende wind. En 20 – 40 % meer snelheid tot de derde macht betekent een vermogensaanbod dat 2 – 3 maal hoger is dan in de horizontale stroming. Potentieel heel interessant, mits de windturbine die schuin invallende wind kan benutten. Turby is juist voor deze omstandigheden ontworpen 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 hetgeen zowel uit kosten oogpunt als wat betreft vergunning aantrekkelijk is. Die gedachte berust op een verkeerd beeld over de “heersende windrichting”. Zoals onderstaand wordt aangetoond dient een windturbine zo centraal mogelijk op een dak opgesteld. De heersende wind in Nederland is zuid west. Het aantal uren wind uit die richting is niet wezenlijk groter dan die uit andere richtingen, zoals blijkt uit analyse van de beschikbare gegevens4. Onderstaande figuur geeft de verdeling voor Schiphol. De windsnelheden waarbij kleine windturbines in bedrijf zijn komen 35 % van de tijd uit het zuidwesten; bij een gelijkmatige verdeling zou dat 25 % zijn. Conclusie: 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 tenminste 3 x hoger. De optimale opstelling is nabij het midden van het dak op een mast van ca. 5 m hoogte of hoger. 4 European Windatlas en KNMI Turby in de gebouwde omgeving Hoe gedraagt een windturbine zich die schuin van onder wordt aangestroomd? Turby heeft dat voor haar windturbine onderzocht in de windtunnel van de Technische Universiteit Delft. De foto’s hieronder tonen de testopstelling. Het resultaat van deze test verbijsterde de onderzoekers. Windturbines halen normaal het hoogste rendement bij haaks op de rotor invallende wind; Turby produceerde schuin van onder aangestroomd een vermogen alsof de wind met volle snelheid haaks inkwam en met een aërodynamisch rendement van 40 %! De verklaring hiervoor ligt deels in de scheefstelling van het blad, waardoor schuin inkomende wind het profiel meer op de beoogde wijze treft dan recht invallende wind. En deels in het 3-D karakter van de Turby rotor waardoor sprake is van een schijnbare oppervlakte vergroting. De wind kan n.l. ongestoord onderlangs met volle snelheid de achterliggende bladen bereiken en daar extra vermogen afleveren. 10 Turby benut schuin van onder inkomende wind volledig en zet de energie met een extra hoog rendement om 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 ondergaan de grotere krachten op de rotor maar kunnen de voordelen daarvan niet benutten. Of andere verticale as turbines dit effect kunnen benutten is onbekend; er zijn in de literatuur geen gegevens gevonden.

Een typische plaatsing

Vergunningen

Voor plaatsing van een windturbine – ook op een gebouw – is een bouwvergunning vereist. Tot de aanvraagdocumenten behoort een dakkrachten berekening, een constructief plan en berekeningen hoe de turbine te verankeren. Turby kan een dakkrachten berekeningen overleggen; het is aan een constructeur om op grond daarvan de juiste wijze van bevestigen te bepalen. Om praktische redenen is aan te bevelen dat de “eigen constructeur” dat doet en in een bestekje aangeeft hoe een en ander moet worden uitgevoerd. Zo verdient ook uitvoering door de “eigen aannemer en dakdekker” de voorkeur. Daarover later. Indien de turbine uitsteekt boven de ter plaatse geldende bestemmingsplanhoogte is een artikel 19 WOR procedure vereist – ontheffing van de bestemmingsplanhoogte – om een bouwvergunning te kunnen krijgen. Als de toevoeging op de gebouwhoogte minder is dan 10 % is kan worden volstaan met een z.g. “lichte” procedure (art.19-III). Bedraagt de toevoeging evenwel meer dan 10 % dan is een art.19-I procedure noodzakelijk, die langdurig en kostbaar kan zijn. Er zijn nauwelijks problemen te verwachten bij aanvraag van een bouwvergunning anders dan de effecten van onbekendheid bij de ambtenaren die de aanvraag moeten beoordelen. Het is daarom zeer aan te bevelen vooraf een gesprek aan te gaan omdat het woord “windturbine” in de aanvraag licht leidt tot een schrikreactie. Voorkomen is beter dan genezen! 11 Bouwkundige voorzieningen Op zich zijn de krachten die de wind op Turby en Turby op het dak uitoefent niet groot. In vol bedrijf is de winddruk op de turbine ca. 720 N, 70 kgf. In stormcondities kan die kracht oplopen tot het dubbele en meer. (zie NEN 6702). Op een gestort betondak zijn dergelijke krachten eenvoudig op te vangen. Een kanaalplaten dak of een gasbeton dak vereist de bevestigingspunten op interne draagmuren of spanten. Liftkokers en dergelijke zijn uitermate geschikt als standplaats voor een Turby. De extra hoogte en kleine afmetingen die daardoor worden geboden betekenen dat met een korte mast kan worden volstaan, waardoor de op het dak uitgeoefende krachten lager zijn. In het algemeen wordt de mast gefundeerd op een uit staalprofielen samengebouwd kruisframe dat op de bevestigingspunten wordt gemonteerd of eventueel middels ballast wordt vastgelegd. Een constructeur die het gebouw kent kan gemakkelijk, snel en goedkoop de juiste opstelplaats bepalen. Vaak heeft de architect ook zijn zegje te doen en die kent de constructie en de opvattingen van de welstandscommissie. Dit zijn de aangewezen partijen om de bouwaanvraag op te stellen en in te dienen. Zou Turby de zorg daarvoor op zich moeten nemen dan is daarvoor veel extra onderzoek en communicatie nodig, waardoor het onevenredig duur wordt. Het is beter dat Turby de informatie die nodig is aanlevert en dat de constructeur en aannemer in opdracht van de eigenaar een en ander uitwerken. N.B. De bouwkundige uitvoering moet altijd door de eigen aannemer worden gedaan omdat de dakgarantie vervalt bij werkzaamheden door derden. Turby kan desgewenst wel de coördinatie van deze werkzaamheden op zich nemen. Masten Turby biedt – afhankelijk van de gewenste hoogte – twee masttypes aan die zowel in roestvrij staal als gegalvaniseerd kunnen worden uitgevoerd. Tot 7,5 m hoogte zijn het masten die op ca. 2 m hoogte worden ondersteund door veren; hogere masten worden uitgevoerd als vrijstaande buismast. Dit verschil is een gevolg van het feit dat ter vermijding van ongewenste resonanties de eigenfrequentie van de mast op ca. 1 Hz moet liggen. Bijgaande maatschets toont de twee varianten. De turbine is op een kruisframe geplaatst waarvan de afmetingen bepaald worden door de dakconstructie. Plaatsing op de bodem kan op een kruisraam of op een buisfundering. Onderstaande foto’s tonen de beide masttypes. Buismast Geveerde mast