"Cup-anemometers blijven nodig voor gecertificeerde metingen," zegt Hans Verhoef van ECN Windenergie. "De normen veranderen niet zo snel. Maar SODAR heeft veel meer te bieden, voor minder geld."

Een windturbine is niet verkoopbaar tenzij een onafhankelijk instituut heeft gemeten hoeveel energie hij uit de wind haalt, in werkelijkheid, bij een reeks van windsnelheden. En investeerders hebben alleen belangstelling voor de bouw van een nieuw windpark als van te voren bekend is wat turbines van het beoogde type daar zullen presteren. Dat vraagt om nauwkeurige, betrouwbare windmetingen – die niet te veel mogen kosten.
De cup-anemometer lijkt een eenvoudig instrument. Drie spaken met elk een halve bol aan het eind, aan een gemeenschappelijke as. De draaisnelheid is een maat voor de windsnelheid. Maar als het gaat om metingen in relatie met windturbines, dan wordt meestal gevraagd om de windsnelheid op naafhoogte. En grote turbines zijn hoog; de gondel van een Enercon E-126 staat 135 m boven de grond.

Dure cups
Wat de cup-anemometer zo duur maakt, is de meetmast die hem op naafhoogte zet. Voor een mast van 50 m zijn de kosten nog bijna te verwaarlozen, als hij op een goed bereikbare plek komt te staan. Maar al bij 100 m gaat het richting 80.000 euro en bij 150 m verschijnt er een ton of drie op de rekening. Offshore doet de kosten nog veel harder uit de pan rijzen.
"Bovendien kunnen hoge masten kwetsbaar zijn," zegt Verhoef. "Iemand van AQSystem (een fabrikant van SODAR-systemen, waar ECN binnenkort de AQ500 Wind Finder voor gaat testen) vertelde ons dat er in Zweden de afgelopen winter een stuk of wat zijn bezweken onder sneeuw en ijs." Sterker bouwen kan natuurlijk, maar dat kost extra.

Drie bundels
Het is mogelijk om windsnelheid en -richting op hoogte vanaf de grond te meten, zonder mast. Bijvoorbeeld met geluid. Onder andere door temperatuurverschillen in turbulente wervels is de brekingsindex voor geluidsgolven niet overal gelijk. Een SODAR (Sound Detection And Ranging) maakt daar gebruik van door korte pulsen naar boven te sturen. Een klein deel van de geluidsenergie wordt teruggekaatst, door wervels die meedrijven met de wind. Dankzij het dopplereffect veroorzaakt hun snelheidscomponent in de richting van de detector een evenredige frequentieverschuiving.
Gewoonlijk wordt het geluid in drie richtingen gebundeld. Samen leveren ze de informatie nodig voor berekening van de luchtverplaatsing langs drie assen x, y en z. En dat per hoogte, want uit het verschil in tijd tussen zenden en ontvangen wordt de afstand tussen de weerkaatsende luchtwervel en de detector afgeleid. Een enkele puls bereikt meerdere wervels, zodat een SODAR kan aangeven wat de wind precies doet op een reeks hoogtes tot circa 200 m. De uitkomsten zijn altijd gemiddeldes van een groot aantal metingen, maar de intensiteit van eventuele turbulentie laat zich ook goed in kaart brengen.

Gemengde lucht
Het is geen volmaakte oplossing. Als de luchtkolom boven de SODAR heel goed gemengd is, zijn de temperatuurverschillen te klein om voldoende geluid te weerkaatsen en zal het apparaat waarschuwen voor onbetrouwbare metingen. In de praktijk gebeurt dat echter alleen op bijna windstille dagen.
Hinderlijker is de gevoeligheid voor neerslag. "Vallende regen, hagel of sneeuw wordt door een SODAR beschouwd als een windsnelheidscomponent," zegt Verhoefs collega Jan Willem Wagenaar. "Software kan eraan filteren, maar er gaan onvermijdelijk metingen verloren." Verder is achtergrondlawaai een probleem, juist bij de hogere windsnelheden waar de belangrijkste energie in zit. Ook echo's afkomstig van vaste objecten in de omgeving kunnen roet in het eten gooien. Maar ondanks de beperkingen doen recente SODAR-systemen goed werk.
Een mogelijk alternatief is LIDAR (LIght Detecton And Ranging), met als voordeel een groter aantal metingen per tijdseenheid in kleinere volumes, zodat het oplossend vermogen beter kan zijn. Maar: "Het is veel duurdere techniek," zegt Wagenaar. "SODAR is bovendien makkelijker in de omgang, denk ik."

De Triton op het proefterrein van ECN in de Wieringermeer
(Foto: H. Oostrum, ECN Windenergie).

Triton
"Zes jaar geleden had je een wetenschapper nodig om zinnige data uit een SODAR te krijgen," zegt Verhoef. "Nu is de filtering makkelijk in te stellen en worden de resultaten prettig leesbaar gepresenteerd op een webpagina. Draadloos via een satelliet, als je wilt."
In opdracht van fabrikant Second Wind vergeleken Verhoef en enkele collega's data afkomstig van een Triton Sonic Wind Profiler met die van een meetmast op het eigen testveld in de Wieringermeer, voorzien van diverse anemometers en windvanen op 26, 60, 80 en 100 m hoogte. De mast is ook uitgerust met sensors voor luchtdruk, neerslag en temperatuur. De testperiode begon op 13 juni vorig jaar en eindigde op 20 september.
Een eigen energievoorziening – zonnepanelen en accu's – en een satellietverbinding maken de Triton onafhankelijk van de plaatselijke infrastructuur. Hij is bovendien relatief goedkoop; in prijs ruwweg vergelijkbaar met een 80 m hoge meetmast. En de resultaten?

MEASNET
De Triton scoorde uitstekende cijfers. Uit de vergelijking met data van de mast rolde een correlatiecoëfficiënt beter dan 0,97 en het apparaat werkte de volle zomerperiode onderhoudsvrij. Reden voor ECN om te concluderen dat de Triton geschikt is voor de evaluatie van potentiële locaties voor windturbines, althans in een situatie vergelijkbaar met die op het testveld. Een oordeel dat veel gewicht in de schaal legt, want "we hebben een uitstekende reputatie als onafhankelijk instituut," zegt Verhoef. "En aan de faciliteiten op ons testveld mankeert het ook niet."
Toch kan de Triton niet worden gebruikt voor onder andere het vaststellen van de vermogens die een windturbine kan leveren bij verschillende windsnelheden, omdat SODAR niet is opgenomen in internationale normen zoals IEC 61400-12. Verhoef: "Een norm veranderen of ontwikkelen kan best tien jaar duren. Er is wel een begin; sinds november vorig jaar geeft MEASNET richtlijnen voor het gebruik van SODAR en LIDAR."
MEASNET is een samenwerkingsverband van meetinstituten, oorspronkelijk Europees en nu wereldwijd. Acceptatie op dat niveau maakt apparatuur zoals de Triton een stuk aantrekkelijker voor de windindustrie.

Contact
Hans Verhoef
ECN Windenergie
Tel. 022 456 4086
E-mail: Hans Verhoef 

Jan Willem Wagenaar
ECN Windenergie
Tel. 022 456 4909
E-mail: Jan Willem Wagenaar

Tekst: Steven Bolt

Informatie
SecondWind.com
ECN-rapport SODARs and WISE guys
On the Theory of SODAR Measurement Techniques
MEASNET-rapport Evaluation of site-specific wind conditions

Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/