Op het testveld van ECN draaien vijf flinke windturbines. Die leveren via een dikke kabel stroom aan het openbaar net en via een dun draadje waardevolle meetgegevens aan de unit Windenergie van ECN. Met die meetgegevens doet onderzoeker Gerard Schepers soms verrassende ontdekkingen. “Hoe turbulenter de lucht die de windturbine nadert, hoe geringer het zog erachter is. Zoiets boeit mij mateloos.”
Het werkterrein van Schepers is de zogaerodynamica. Door energie aan de wind te onttrekken, daalt de snelheid van de luchtstroom, maar daar blijft het niet bij. Ook is de wind achter een turbine flink aan het kolken, zoals het schroefwater achter een schip kolkt dat het een lieve lust is. Schepers. “Dat er zog ontstaat achter de turbine is heel logisch. Maar als je die zog op microschaal gaat bekijken, kom je de ene verrassing na de andere tegen.
Bestudering van het zog van windturbines verveelt Schepers nog geen moment. Nee, hij hoeft er niet vaak voor naar het testveld. De meetgegevens komen via datakabel naar ECN in Petten, daar gaat hij ermee aan de slag. Dat is spelen met zijn grote geldschat. “Op dit testveld staan vijf grote machines (elk 2,5 MW) gewoon stroom te leveren aan het net. Daarnaast zijn ze redelijk behangen met meetinstrumenten, die hun gegevens naar geheugens van ECN sturen. En er staan drie masten met meteorologische instrumenten, die hetzelfde doen. Dit gaat dag en nacht door, al vijf jaar, onvermoeibaar. Er zijn genoeg fraaie testvelden in de wereld. Maar geen heeft zo’n gigantische database met meetgegevens. Dat is voor turbine- en windparkonderzoek een fortuin waard.”
Vermogensafname windturbines op een rij
In die grote berg meetgegevens zit Schepers graag te wroeten, op zoek naar bijzonderheden die de zogaerodynamica verhelderen. Zo ontdekte hij dat de productie van ‘zijn’ windturbines die op een rij in het zog van een andere windturbine staan, niet logisch afneemt. Schepers: “Je zou verwachten dat de derde turbine in een rij minder vermogen levert dan de tweede turbine en de vierde turbine weer minder dan de derde turbine. Enzovoorts. Maar zo werkt het niet. Als je de productie van de tweede, derde en vierde deelt door die van de eerste (relatief vermogen), blijken de derde en vierde turbine zelfs iets meer te leveren dan de tweede turbine."
Dit geldt voor als de wind uit zuidwestelijke tot noordwestelijke hoek waait. Maar soms waait de wind uit zuidoostelijk tot noordoostelijke hoek – niet vaak, maar als je maar lang genoeg meet heb je op zeker moment voldoende meetgegevens. Dan blijkt de grafiek er anders uit te zien. Schepers: “Dan zie je dat de vermogensafname nog sterker is. Hoe dat komt? Oostelijke wind heeft een flinke afstand over het vlakke IJsselmeer afgelegd, westelijke wind stroomt over Noord-Holland. Die laatste is dus turbulenter, daar haal je kennelijk minder energie uit.”
Relatief vermogen van twee achter elkaar geplaatste turbines. Bij veel turbulentie (roze ruit) daalt het relatieve vermogen van de tweede turbine opvallend meer dan bij weinig turbulentie. Bij 275 graden staan beide turbines in lijn op de wind en is het effect het grootst.
Waarom eigenlijk een testveld exploiteren als er genoeg windparken zijn van stroomleveranciers? Omdat de manager van elk park geacht wordt zoveel mogelijk stroom uit de wind te halen, zonder schade of uitval van de machines. Dat commerciële gebruik wringt met onderzoekstaken, waarbij je nog wel eens dicht bij de grens van het toelaatbare wilt opereren. “Soms wil ik een experiment doen waarvan ik zeker weet dat een windparkbeheerder mij dat nooit en te nimmer zou toestaan. Nu word ik alleen tegengehouden door de garantieregeling van fabrikant Nordex. En zelfs daar wil ik aan knagen,” grijnst Schepers.
Meteomasten
Met de vijf grote turbine is Schepers blij, met de drie meteorologische masten is hij dolgelukkig. Elk van de masten is flink hoger dan de ashoogte van de windturbines, waardoor ze met hun instrumenten tot ashoogte plus 70 procent van de rotorstraal bereiken. Behalve de windsnelheid worden er temperatuurverschillen met de hoogte gemeten. “De temperatuurmeters in de mast kunnen kleine variaties registreren, tot tienden Kelvin. En juist kleine variaties van de temperatuur zijn een belangrijke maat voor zogverschijnselen.
Hoewel de vijf turbines en de drie meteomasten veel gegevens opleveren, is de honger van de onderzoekers nog niet gestild. Wat zou het mooi zijn als je twee rijen (identieke) turbines hebt, die in dezelfde wind net iets anders worden bestuurd. Een rij die onder normale omstandigheden werkt en een rij waarin je de regeling van de turbines hebt aangepast. Het beperkte budget maakte de onderzoekers creatief. Dit leidde in 2008 tot de oplevering van het ECN-Schaalwindpark.
Tien dwergen tussen twee reuzen
Tussen de reuze prototypes van testende fabrikanten staan tien identieke windturbines, van elk 10 kilowatt. Twee rijen van drie masten, één rij van vier masten. Maar wat het Schaalpark bijzonder maakt is het aantal meetmasten. Tussen de windturbines en langs de noordkant staan in totaal 14 masten met meteorologische instrumenten. Hun stroom aan meetgegevens is veel meer waard dan de elektriciteit van de turbines.
De schaalparkturbines staan fraai in zuidwest-noordoostelijke lijn, de meest overheersende windrichting. En hier doet Schepers het onderzoek waarnaar hij zo verlangt: Twee rijen identieke machines, draaiend in exact dezelfde wind. De ene rij staat ‘standaard’ ingesteld, de andere rij is in de experimentele stand. Schepers: “Elk verschil dat de meetinstrumenten nu laten zien, heeft op de een of andere manier met het experiment te maken. Op deze wijze kan ik rustig maar gedegen werken aan een zogmodel van een windpark. Geïntegreerd in het rekenmodel van een windpark krijgt dat een enorme meerwaarde. Daarmee kan elke ontwerper ter wereld sleutelen aan het optimale ontwerp van zijn windpark.”
Contact
Gerard Schepers
ECN Windenergie
Tel.: 022 456 4894
E-mail: Gerard Schepers
Info
Analyse van 4,5 jaar onderzoek aan zogaerodynamica
Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/
