Nauwkeurige windschuifspanning metingen verbeteren plaatsing van nieuwe windturbines

Onnauwkeurige windschuifspanningmetingen kunnen leiden tot misplaatste windturbines, die miljarden euro’s aan potentiële energieopbrengst kosten. De efficiëntie van een windturbine, een cruciale factor in de windenergie sector, is direct afhankelijk van de windsnelheid op de hoogte van de rotor. Daarom is het van essentieel belang om de windschuifspanning, de verandering van windsnelheid met de hoogte, nauwkeurig te bepalen. Dit geldt zeker voor complexe windturbineparken waar verschillende factoren een rol spelen. Het optimaliseren van de plaatsing van een turbine kan leiden tot een aanzienlijke stijging van de ROI.

Windschuifspanning, essentieel voor de optimale locatie van windturbines, is de verandering van windsnelheid met de hoogte boven het aardoppervlak. Dit fenomeen wordt beïnvloed door factoren zoals de ruwheid van het terrein, de atmosferische stabiliteit en de aanwezige obstakels zoals bomen en gebouwen. Een typische windschuifspanning resulteert in hogere windsnelheden op grotere hoogtes, wat gunstig is voor de energieopbrengst van windturbines. De volgende formule beschrijft dit concept: α = (ln(v₂/v₁)) / (ln(h₂/h₁)).

Het belang van nauwkeurige metingen voor optimale prestaties

Nauwkeurige windschuifspanningmetingen zijn cruciaal voor de plaatsing van windturbines omdat ze een direct inzicht geven in het windprofiel op de locatie. Een juiste beoordeling van het windprofiel stelt projectontwikkelaars in staat om de turbinehoogte te optimaliseren en de meest geschikte turbine te selecteren voor de specifieke windomstandigheden. Bovendien is het mogelijk de jaarlijkse energieproductie (AEP) realistischer in te schatten en dus de winstgevendheid beter te beoordelen. Deze aspecten zijn essentieel voor het maximaliseren van de energieopbrengst, het minimaliseren van risico’s en het optimaliseren van de Return On Investment (ROI). In de praktijk betekent dit dat een kleine afwijking in de gemeten windschuifspanning kan leiden tot een afwijking van enkele procenten in de jaarlijkse energieopbrengst.

Historisch gezien werd windschuifspanning gemeten met behulp van meetmasten, maar deze methode kent aanzienlijke beperkingen. Hierdoor is er de noodzaak ontstaan voor verbeterde meettechnieken die nauwkeurigere en uitgebreidere gegevens kunnen leveren. Het correct inschatten van de potentiële opbrengst is van cruciaal belang bij de planning en financiering van windenergieprojecten.

De uitdagingen van traditionele windschuifspanningmetingen

Hoewel meetmasten lange tijd de standaard waren voor het meten van windschuifspanning, zijn er significante nadelen verbonden aan deze technologie. Het is belangrijk om de beperkingen van meetmasten te begrijpen om de voordelen van nieuwe meettechnieken volledig te waarderen.

Meetmasten: een traditionele, maar beperkte aanpak

Meetmasten zijn torens die zijn uitgerust met anemometers en windvaan op verschillende hoogtes om de windsnelheid en windrichting te meten. Deze gegevens worden gebruikt om het windprofiel te bepalen en de windschuifspanning te schatten. Een groot nadeel is echter de beperkte hoogte, waardoor een betrouwbaar windprofiel op turbinehoogte vaak ontbreekt. Bovendien is de aanpak van meetmasten behoorlijk kostbaar en het onderhoud bewerkelijk. De plaatsing van een meetmast vereist bovendien de nodige vergunningen, wat het proces kan vertragen.

• Beperkte hoogte in vergelijking met de moderne turbinehoogtes, die vaak boven de 200 meter reiken.
• Hoge installatie- en onderhoudskosten, met bedragen die oplopen tot 50.000 euro per jaar voor een geavanceerde mast.
• Puntsgewijze metingen die een beperkte ruimtelijke dekking bieden, waardoor de variabiliteit van de wind over een groter gebied niet wordt vastgelegd.

De masten kunnen de windstroming zelf beïnvloeden, waardoor de metingen verstoord raken. Bovendien hebben ze een visuele impact op het landschap en kunnen ze potentieel effect hebben op vogelmigratie. Meetmasten hebben dus een behoorlijke impact op hun omgeving. De kosten voor een meetmast van 100 meter hoog liggen gemiddeld rond de 150.000 euro.

De onzekerheden van interpolatie en extrapolatie

Omdat meetmasten vaak niet de volledige hoogte van moderne windturbines bestrijken, is het noodzakelijk om de gegevens te interpoleren of extrapoleren. Interpolatie schat de windsnelheid tussen de meetpunten, terwijl extrapolatie de windsnelheid boven de hoogste meetpunten schat. Beide methoden introduceren onzekerheden, vooral in complex terrein waar de windstroming onvoorspelbaar kan zijn. De kosten voor het plaatsen van een grote windturbine kunnen oplopen tot meer dan 1.5 miljoen euro, het is dan van groot belang om de juiste beslissingen te nemen omtrent de locatie en type windturbine. Door het toepassen van een verkeerde extrapolatiemethode, kan de inschatting van de jaarlijkse energieopbrengst al snel met 5-10% afwijken.

Het overschatten van de energieopbrengst kan leiden tot teleurstellingen bij investeerders, terwijl het onderschatten van de structurele belasting kan leiden tot vroegtijdige schade aan de windturbine. Door de introductie van moderne meettechnieken en geavanceerde simulatiemethoden kunnen de risico’s aanzienlijk worden verlaagd. Verschillende studies tonen aan dat het gebruik van moderne meettechnieken de onzekerheid met 2-3% reduceert.

Een ander belangrijk punt is dat de ruwheid van het terrein significant kan variëren, dit heeft directe invloed op de windschuifspanning. De ruwheidslengte, een maat voor de ruwheid van het terrein, kan variëren van 0.001 meter boven open water tot 1 meter of meer in bebost gebied. De juiste inschatting van de ruwheidslengte is daarom van groot belang.

Complex terrein: een extra uitdaging

In complex terrein, zoals heuvelachtig gebied of bossen, wordt de windstroming sterk beïnvloed door de topografie en de aanwezigheid van obstakels. De windschuifspanning kan hierdoor aanzienlijk variëren over korte afstanden, waardoor het moeilijk is om nauwkeurige metingen te verkrijgen met meetmasten. Traditionele meetmasten leveren in dergelijk terrein onvoldoende informatie op om de impact van de complexiteit correct in te schatten. Dit resulteert in een minder optimale plaatsing van de turbines en dus een lagere energieopbrengst.

De opkomst van geavanceerde meettechnieken

Om de beperkingen van traditionele meetmethoden te overwinnen, zijn er geavanceerde meettechnieken ontwikkeld die een nauwkeuriger en uitgebreider beeld van de windschuifspanning kunnen geven. Het toepassen van deze technieken vereist expertise en de juiste interpretatie van de data.

Lidar (light detection and ranging): precisie door licht

Lidar is een technologie die gebruikmaakt van laserpulsen om de windsnelheid op verschillende hoogtes te meten. Het apparaat zendt laserpulsen uit en meet de teruggekaatste signalen. Uit de frequentie van de teruggekaatste signalen kan de snelheid van de deeltjes, en daarmee de windsnelheid bepaald worden. Lidar-systemen kunnen verticale windprofielen met hoge resolutie meten en zijn niet-intrusief, wat betekent dat ze de windstroming niet beïnvloeden. Lidar kan metingen verrichten tot een afstand van 300 meter of meer, wat cruciaal is voor de beoordeling van moderne turbinehoogtes.

• Groot meetbereik tot turbinehoogte mogelijk, waardoor een compleet windprofiel kan worden verkregen.
• Meting van verticale windprofielen met hoge resolutie, waardoor de variabiliteit van de windschuifspanning nauwkeurig kan worden vastgelegd.
• Mobiele inzet mogelijk voor het meten op verschillende locaties, waardoor de windomstandigheden in een groot gebied kunnen worden gekarakteriseerd.

De mobiele inzet van Lidar is van groot belang, omdat deze het mogelijk maakt om de metingen op de ideale plaats te verrichten. De kosten voor een commerciële Lidar installatie kunnen oplopen tot 150.000 euro. De operationele kosten van een Lidar systeem zijn doorgaans lager dan die van een meetmast.

Sodar (sonic detection and ranging): geluid als meetinstrument

SoDar werkt volgens een vergelijkbaar principe als Lidar, maar maakt gebruik van geluidsgolven in plaats van laserpulsen. Het apparaat zendt geluidsgolven uit en meet de teruggekaatste signalen om de windsnelheid op verschillende hoogtes te bepalen. SoDar is over het algemeen kosteneffectiever dan Lidar en is ook mobiel inzetbaar. Echter, SoDar is minder nauwkeurig dan Lidar en is gevoelig voor omgevingslawaai en weersomstandigheden. De meeste SoDar systemen kunnen tot 250 meter hoogte meten. Hierdoor is het uitermate geschikt om voor offshore windparken in te zetten.

• Kosteneffectief in vergelijking met Lidar, waardoor het een aantrekkelijke optie is voor kleinere projecten.
• Mobiel en makkelijk te verplaatsen en te implementeren, waardoor het geschikt is voor het meten op verschillende locaties.
• Real-time gegevens, waardoor de windomstandigheden continu kunnen worden gevolgd.

Lidar versus SoDar: een vergelijking

Lidar is over het algemeen nauwkeuriger dan SoDar, vooral in complex terrein en bij hoge windsnelheden. SoDar is daarentegen kosteneffectiever en makkelijker te implementeren. De keuze tussen Lidar en SoDar hangt af van de specifieke eisen van het windenergieproject. Het is van belang om de impact van de omgeving goed in kaart te brengen. De jaarlijkse kosten voor een SoDar systeem liggen rond de 30.000 euro.

Kenmerk	Eolos Lidar	AQ System SoDar
Nauwkeurigheid	Hoog	Minder hoog
Kosten	Hoog	Laag
Toepassingsgebieden	Complex terrein, hoge windsnelheden, offshore	Vlak terrein, lagere windsnelheden, agrarische gebieden
Gevoeligheid voor omgevingsfactoren	Minder gevoelig	Gevoelig voor lawaai en weersomstandigheden

Een case study: verbeterde plaatsing met lidar

Een windturbinepark in een heuvelachtig gebied ondervond problemen met de energieopbrengst van de windturbines. Na een analyse van de windomstandigheden met behulp van Lidar bleek dat de windschuifspanning aanzienlijk hoger was dan eerder was ingeschat op basis van meetmasten. Door de turbinehoogte aan te passen en de turbine-indeling te optimaliseren op basis van de Lidar-gegevens kon de energieopbrengst met ongeveer 18% worden verhoogd. In totaal waren er 25 windturbines geplaatst. Dankzij deze resultaten is besloten meer Lidar systemen in te zetten bij het plaatsen van nieuwe windmolenparken. De initiële investering in het Lidar systeem werd binnen 3 jaar terugverdiend door de hogere energieopbrengst.

Een interessante ontwikkeling is het gebruik van drones voor de inspectie van windturbines. Drones zijn in staat om visuele inspecties uit te voeren en eventuele schade vroegtijdig te detecteren. Dit draagt bij aan een langere levensduur en een hogere betrouwbaarheid van de windturbines.

Voordelen van nauwkeurige windschuifspanningmetingen

Het gebruik van nauwkeurige windschuifspanningmetingen leidt tot aanzienlijke voordelen voor windenergieprojecten. Deze voordelen strekken zich uit tot de financiële prestaties, de operationele efficiëntie en de duurzaamheid van het project.

Geoptimaliseerde energieopbrengst: meer wind, meer energie

Door nauwkeurige windschuifspanningmetingen kan de turbinehoogte worden geoptimaliseerd voor maximale energieopbrengst. Door de turbine op de juiste hoogte te plaatsen, kan de blootstelling aan hogere windsnelheden worden gemaximaliseerd. Een verhoging van de windturbinehoogte met 10 meter, kan tot een jaarlijkse winst van ongeveer 60.000 euro per windturbine opleveren. Ook de kans op stilstand door overbelasting kan worden geminimaliseerd door extreme windsnelheden nauwkeurig in te schatten. Daarnaast is het mogelijk om een betere planning van de turbine-indeling in het park te realiseren en zo schaduweffecten te minimaliseren. De turbines staan dan op de juiste afstand van elkaar waardoor ze elkaar niet hinderen. In sommige gevallen kan de opbrengst van een windturbinepark met 10-15% worden verhoogd door de plaatsing van de turbines te optimaliseren.

• Optimalisatie van de turbinehoogte voor maximale energieopbrengst, met een potentiële winst van 60.000 euro per jaar per turbine.
• Minimale stilstand door overbelasting door accurate meting van extreme windsnelheden.
• Optimale park layout om windschaduweffecten te minimaliseren en de opbrengst te maximaliseren.

Verminderde risico’s: een veilige investering

Nauwkeurige windschuifspanningmetingen dragen bij aan de structurele integriteit van de windturbine doordat de windbelasting nauwkeurig kan worden bepaald. Overbelasting en vroegtijdige schade aan de turbine kunnen worden voorkomen, wat de levensduur van de turbine verlengt. Dit verlaagt het financieel risico door nauwkeurige schattingen van de energieopbrengst, wat de winstgevendheid van het project zeker stelt. Een nauwkeurige analyse van de omgevingsfactoren en accurate metingen zijn dus van groot belang voor een succesvolle investering. De levensduur van een windturbine is gemiddeld 20-25 jaar. Tijdens deze periode is het belangrijk om de turbine goed te onderhouden en tijdig te repareren.

De gemiddelde onderhoudskosten van een windturbine bedragen ongeveer 2% van de initiële investering per jaar. Door de inzet van betere meettechnieken en data analyse kan dit percentage worden verlaagd en de levensduur worden verlengd. Het gebruik van hoogwaardige componenten en regelmatige inspecties zijn essentieel voor een lange en probleemloze werking.

Verbeterde planning en financiële analyse

Nauwkeurige voorspellingen van de energieopbrengst zijn essentieel voor het aantrekken van investeerders en het verkrijgen van financiering. Met realistischere opbrengstprognoses kunnen investeerders beter onderbouwde beslissingen nemen. Het rendement op investering kan hierdoor op de lange termijn beter gegarandeerd worden. Een correcte analyse van de windturbinevelden is dus van essentieel belang. Door de inzet van nauwkeurige meettechnieken kan de onzekerheid in de financiële prognoses met 5-7% worden verlaagd.

• Nauwkeurige voorspellingen van de energieopbrengst voor investeerders en financiers.
• Optimale investeringsbeslissingen op basis van realistische opbrengstprognoses.
• Verlaging van de onzekerheid in de financiële prognoses met 5-7% door nauwkeurige meettechnieken.

Toekomstige ontwikkelingen en innovaties

Het vakgebied van windschuifspanningmetingen is voortdurend in ontwikkeling, met nieuwe technologieën en innovaties die de nauwkeurigheid en efficiëntie verder verbeteren. De ontwikkelingen op het gebied van data analyse en sensor technologie bieden veel mogelijkheden voor de toekomst.

Machine learning en AI: de toekomst van data-analyse

Machine learning en AI bieden veel potentieel om de analyse van windschuifspanninggegevens te verbeteren. Met behulp van AI kunnen nauwkeurigere voorspellende modellen van windstroming en windschuifspanning worden ontwikkeld. Hierdoor kunnen we de windenergie nog beter benutten. Real-time optimalisatie van de turbineprestaties op basis van actuele windschuifspanningmetingen is mogelijk dankzij AI. De voorspellende modellen geven een voorsprong bij het optimaliseren van de prestaties. Een nauwkeuriger voorspelling van de windschuifspanning kan leiden tot een efficiëntere aansturing van de turbine en dus een hogere energieopbrengst. De inzet van AI kan de nauwkeurigheid van de voorspellingen met 10-15% verbeteren.

Daarnaast kunnen AI systemen helpen bij het opsporen van afwijkingen in de werking van de turbine. Door real-time data te analyseren, kunnen potentiële problemen vroegtijdig worden gesignaleerd en kan er preventief onderhoud worden uitgevoerd.

Integratie met weersvoorspellingen

De integratie van windschuifspanningmetingen met weersvoorspellingen leidt tot een nog nauwkeuriger beeld van de windcondities. Dit is van belang voor het plannen van onderhoud en het optimaliseren van de energieproductie. De gegevens van de metingen kunnen worden aangevuld met data van weersvoorspellingen. Verschillende meteorologische instituten leveren gedetailleerde weersvoorspellingen die kunnen worden gebruikt om de windschuifspanning beter in te schatten.

Drone-based metingen: flexibiliteit en detail

Het gebruik van drones voor het uitvoeren van windschuifspanningmetingen op moeilijk bereikbare locaties biedt veel potentieel. Drones bieden lage kosten, flexibiliteit en de mogelijkheid tot gedetailleerde metingen. Ze zijn met name geschikt om metingen te verrichten in hooggebergte of in gebieden met complexe landschappen. Drones kunnen een grote bijdrage leveren in de toekomst. De kosten voor een drone-inspectie liggen rond de 500-1000 euro per turbine.

Ontwikkeling van nieuwe sensoren en standaardisatie

De ontwikkeling van nog nauwkeurigere, kosteneffectievere en robuustere sensoren voor windschuifspanningmetingen staat niet stil. Er is een noodzaak voor verdere standaardisatie en certificering van windschuifspanningmetingen om de betrouwbaarheid en vergelijkbaarheid van de gegevens te waarborgen. Op deze manier kan de kwaliteit van de metingen worden gewaarborgd. Internationale organisaties zoals IEC en ISO werken aan de ontwikkeling van standaarden voor windenergie.

Door te investeren in nauwkeurige windschuifspanningmetingen, kan de windenergie-industrie de energieopbrengst maximaliseren, de risico’s minimaliseren en een belangrijke bijdrage leveren aan een duurzame energietoekomst.