ENERGIE

VERGUNNING-VERLENENDE OVERHEID

Windturbines zijn er in verschillendetypes, groottes en vermogens.Omdat de impact van een kleinerewindturbine op het landschap, deomgeving en het elektriciteitsnet heelwat verschillend is van de impactvan een grotere windturbine, heeftde Vlaamse Overheid beslist omwindturbines op te delen in drieaparte categorieën. Voor elkecategorie is een verschillendbeleidsniveau verantwoordelijk voorhet al dan niet uitreiken van eenbouw- en/of milieuvergunning. Dezeinformatie werd verspreid via deomzendbrief LNE/2009/11 –RO/2009/01 van 30 april 2009.

Kleine windturbinesKleinere windturbines zijnwindturbines met een masthoogtekleiner of gelijk aan 15 meter. Voorde inplanting van een dergelijke

windturbine is eenstedenbouwkundige vergunningnodig die (in eerste aanleg)uitgereikt wordt door hetgemeentebestuur. Hierbij dient degemeente steeds rekening te houdenmet de specifieke richtlijnen van hetprovinicaal bestuur. Hoewel dit nietin de omzendbrief is vastgelegd,wordt officieus aangenomen dat hetvermogen van deze kleinewindturbines de 10 kW niet zaloverschrijden. Deze aanname vindthaar oorsprong in de beslissing vande netbeheerder om de aansluitingvan windturbines tot 10 kW op hetnet, via een gewone(terugdraaiende) teller te latengeschieden. Voor turbines met eenhoger vermogen is een specialeaansluiting via eenvierkwadrantenmeter metnetbeveiliging verplicht.

Middelgrote windturbinesMiddelgrote windturbines hebben

een masthoogte groter dan 15 m eneen vermogen kleiner of gelijk aan300 kW. Vooraleer hier eenstedenbouwkundige vergunningafgeleverd kan worden dient er eenbeperkte lokalisatienota opgemaaktte worden. Dit is een beknoptebeschrijving van het toestel zelf envan de directe omgeving waarin hettoestel zal ingeplant worden. Dezenota wordt getoetst aan hetprovinicaal structuurplan. Devergunningverlendende overheid issteeds het Vlaams Gewest.

Grote windturbinesGrote windturbines worden in deomzendbrief gedefinieerd als zijndewindturbines met een vermogengroter dan 300 kW. Voor deinplanting van een dergelijkewindturbine dient niet alleen eenstedenbouwkundige vergunning,maar ook een milieuvergunninguitgereikt te worden. Voorafgaandaan het verkrijgen van de

vergunning dient een volledigelokalisatienota opgemaakt teworden. Voor dit type windturbinepasseert de vergunningsaanvraagniet alleen langs het Vlaams Gewestmaar ook nog eens langs deBestendige Deputatie van deprovincie.

CRITERIA VASTGELEGDIN DE OMZENDBRIEFDe omzendbrief LNE/2009/11 –RO/2009/01 geeft de gemeentenenkele krijtlijnen in handen waaropmen het vergunningsbeleid voorkleine windturbines kan baseren.

Integratie binnen de ruimtelijke omgevingDe inplanting van een kleinewindturbine mag niet in strijd zijnmet de specifieke kenmerken van deruimtelijke omgeving. Omdat ditvaak een erg subjectief gegeven is,worden de gemeenten toch enkeleconcrete wenken gegeven. Eerst envooral maakt men het onderscheidtussen een windturbine met eenhorizontale as en een windturbinemet een verticale as.• Turbines met een horizontale

as (het eerder traditionele type)dienen bij voorkeur steedsvrijstaand te worden ingeplant. Ergbelangrijk hierbij is de hoogte vande turbine in relatie tot de hoogtesvan de diverse omringendegebouwen, bomen en andereconstructies;

• Turbines met een verticale asmoeten eerder geïntegreerdworden met of bevestigd wordenop een gebouw. Belangrijk hier isdat de vormgeving van de turbinemin of meer in de lijn ligt van de

MELbe0004N14_v01.odt

GEMEENTES VOORLOPIG NOG ERG TERUGHOUDENDIN HET VERLENEN VAN BOUWVERGUNNINGEN

De steeds toenemende CO2-concentratie in de aardse atmosfeer, de sterkfluctuerende energieprijzen en de politieke verwikkelingen in landen rijk aangrondstoffen, hebben bij de politieke leiders in Europa het besef aangewakkerddat een overstap naar schone energie die zoveel mogelijk decentraalgeproduceerd wordt, nu toch stilaan dringend wordt. Kleine windturbines passenperfect in dit plaatje, maar jammer genoeg staat deze markt in België nog in zijnkinderschoenen en zijn onze gemeentes voorlopig nog erg terughoudend in hetafleveren van de nodige bouwvergunningen. In dit artikel gaan we dieper in opdeze laatstgenoemde vergunningsproblematiek. In de volgende editie van'Elektricien' verlenen we u vervolgens een inzicht in de typische opbouw van eenkleine windturbine en in het derde en laatste deel van de reeks staan we tot sloteven stil bij de berekening van kosten, opbrengsten en rendementen.

Door Bart Desanghere

KLEINE WINDTURBINESWACHTEN OP GROTE DOORBRAAK [DEEL 1]

Kleine windmolens zijn in volleontwikkeling; het wordt dus hoog tijd datde gemeenten aan het opzetten van eendoordacht vergunningsbeleid werken

TABEL 1: CATEGORISERING WINDTURBINES (OMZENDBRIEF LNE/2009/11-RO/2009/01)CATEGORIE KLEINE

WINDTURBINEMIDDELGROTEWINDTURBINE

GROTE WINDTURBINE

ASHOOGTE (M)≤15 >15 -

VERMOGEN (KW) - ≤300 >300

VERGUNNINGEN SBV SBV SBV + MV

VERGUNNINGVERLENENDEOVERHEID

Gemeentelijk SBA Gewestelijk SBA Gewestelijk SBA + Best. Deputatie

EXTRA - Beperkte Lokalisatienota Volledige Lokalisatienota

Bron: Kleine en middelgrote windturbines: in welke richting draait de beleidswind? (Annelies Verlee, februari 2010)

ENERGIE

architecturale kenmerken van hetgebouw en de dichte omgeving;

Verder wordt in de omzendbrief ookiets gezegd over de aard van deomgeving.• Binnen stedelijke kernen of

dorpskernen in hetbuitengebied is, zeker wanneerhet om uitgesprokenwoongebieden gaat, de inplantingvan een kleine windturbineprincipieel ongewenst. Enkelwanneer er een goede motiveringgegeven wordt en de inplantingde omgeving niet stoort, kan eenvergunning worden toegestaan;

• Op bedrijvensites, inhandelscentra of bijrecreatieve centra is deinplanting van een kleinewindturbine ruim aanvaard. Eenvergunning wordt steeds verleendmits de inplanting geen hypotheeklegt op de inplanting van grotereturbines;

• In eerder landelijk gebied dienteen terughoudend beleid gevoerdte worden. Hier is het gevaar opvisuele vervuiling van hetlandschap immers het grootst. Voorhet toestaan van een vergunning iseen ruimtelijke aanknopingnoodzakelijk.

Akoestisch aspectDe wieken van een windturbinekunnen soms erg veel lawaai maken.In de omzendbrief staat dat devergunningsaanvrager eengecertificeerd attest moet inleverenwaarop het brongeluid bij eenwindsnelheid van 5 m/saangegeven staat. Hieruit kan dande geluidsimmissie afgeleid worden(zie figuur 1). Het afleveren van eenvergunning is vervolgens

aanvaardbaar als de windturbinevoldoet aan de Vlaremnorm vooromgevingsgeluid in open lucht.Concreet betekent dit dat men gaatkijken in welk type gebied de meestdichtbijzijnde vreemde woning(d.w.z niet eigen aan het perceelwaarop de bouwaanvraag voor deturbine betrekking heeft)gelokaliseerd is. Voor elk van dezetypes gebieden gelden dan aparterichtwaarden (zie tabel 2). Zo zaleen windturbine met een brongeluidvan 60 dB(A) binnen een gebiedvan het type 4 (woongebieden)enkel en alleen geplaatst kunnenworden op minimum 12 m van dedichtsbijzijnde vreemde woning. Letwel: dit is de afstand gemeten vanafde oorsprong van het brongeluid (deturbine zelf) en niet vanaf de voetvan de mast.

SlagschaduwDe draaiende wieken vanwindturbines kunnen voor hinderzorgen door lichtreflectie enslagschaduw. Om deze hinderzoveel mogelijk in te perken, stelt deomzendbrief de volgende regelvoor: binnen een cirkelvormiggebied met als middelpunt deturbine en met als straal tweemaalde tiphoogte van de turbine mag erslechts 30 uur per jaar hinder doorslagschaduw zijn in woningen ofgebouwen waar mensen aan hetwerk zijn. Aangezien de zon nooitin het noorden staat, wordt in hetzuiden een kwart van de cirkel (90°met als middellijn de zuidgerichte as)buiten beschouwing gelaten. (ziefiguur 2). Omdat de zon in ons landnooit hoger aan de hemel staat dan45° zal er buiten deze cirkel nooitsprake zijn van enige slagschaduw.

Figuur 1: De wieken van een windturbine kunnen soms erg veel lawaai maken. In de omzendbrief staat dat devergunningsaanvrager een gecertificeerd attest moet inleveren waarop het brongeluid bij een windsnelheid van 5 m/s aangegevenstaat. Hieruit kan dan de geluidsimmissie afgeleid worden (Bron: Omzendbrief LNE/2009/11 – RO/2009/01)

FIGUUR 1: GELUIDSIMMISSIE IN DB(A) I.F.V. HET BRONGELUID

Afstand (in m)

Gel

uidsi

mm

issi

e (in

dB(A

))CE-MARKERING

Fabrikanten die kleinewindturbines op de Europesemarkt willen brengen, moeten eenprocedure opzetten die waaktover de kwaliteit en de veiligheidvan elk type turbine. Het opzettenen in stand houden van dezeprocedure geeft de fabrikanten hetrecht hun toestellen van het CE-teken te voorzien en aldus deEuropese markt te betreden. Deaandachtspunten voor het CE-markeringstraject omvattenvolgende stappen:• Inventarisatie richtlijnen;• Bepaling relevante eisen

richtlijnen;• Inventarisatie van de normen;• Gevarenidentificatie;• Risico-inschatting;• Samenstelling van het Technisch

Constructie Dossier (TCD);• Controle op basis van de

C-norm;• Samenstellen en opstellen van

de gebruikershandleiding;• Opstellen van de verklaring;• Aanbrengen van de CE-

markering.

TABEL 2: RICHTWAARDEN VOOR DEGELUIDSIMPACT OP VREEMDE WONINGEN

TYPE GEBIED WAARIN DEDICHTSBIJZIJNDE VREEMDE WONING

IS GELEGEN

RICHTWAARDEN INOPEN LUCHT ('S

NACHTS)

1 Buitengebieden (zoals gedefinieerd in hetRuimtelijk Structuurplan Vlaanderen;landbouwgebieden, natuur- enbosgebieden, andere groengebieden) engebieden voor verblijfsrecreatie

39 dB(A)

2 Gebieden of delen van gebieden opminder dan 500 m gelegen vanindustriegebieden niet vermeld sub 3° ofvan gebieden voorgemeenschapsvoorzieningen of openbarenutsvoorzieningen

49 dB(A)

3 Gebieden of delen van gebieden opminder dan 500 m gelegen van gebiedenvoor ambachtelijke bedrijven en kleine enmiddelgrote ondernemingen, vandienstverleningsgebieden of vanontginningsgebieden, tijdens deontginning

44 dB(A)

4 Woongebieden 39 dB(A)

5 Industriegebieden,dienstverleningsgebieden, gebieden voorgemeenschapsvoorzieningen enopenbare nutsvoorzieningen enontginningsgebieden tijdens de ontginning

59 dB(A)

6 Recreatiegebieden, uitgezonderdgebieden voor verblijfsrecreatie 44 dB(A)

7 Alle andere gebieden, uitgezonderd:bufferzones, militaire domeinen en dezewaarvoor in bijzondere besluitenrichtwaarden worden vastgesteld

39 dB(A)

8 Bufferzones 54 dB(A)

9 Gebieden of delen van gebieden opminder dan 500 m gelegen van voorgrindwinning bestemdeontginningsgebieden tijdens de ontginning

49 dB(A)

Voor elke type gebied gelden aparte richtwaardes (Bron: Omzendbrief LNE/2009/11 – RO/2009/01)

Brongeluid (in dB(A))

ENERGIE

VeiligheidsaspectWindturbines zijn uitgerust met eenDC generator, een permanentmagneet synchroon generator(PMSG) of een asynchroneinductiegenerator (zie ook deel 2van dit dossier), waardoor zeaanzien worden als machines endus moeten voldoen aan deEuropese machinenorm(2006/42/EC). Deze norm creëerteen kader waarbij waarbij eengrondige analyse van deveiligheidsrisico's gekoppeld wordtaan een reeks maatregelen diebedoeld zijn om deze risico's teminimaliseren (zie ook kaderstuk).

NIET-BINDEND KARAKTERDeze krijtlijnen zijn echterrichtinggevend en niet bindend. Zekunnen niet rechterlijk afgetoetstworden. In de praktijk komt het erdus op neer dat de gemeenten vrijzijn om hun eigen beleid te voeren,

op voorwaarde dat ze destedenbouwkundige richtlijnen vande provincie respecteren. Dieprovincies houden er immers ookeen eigen mening op na, die weleens kan botsen met de mening vande gemeentebesturen.

ENQUÊTE BIJ DEGEMEENTEBESTURENIn het kader van haar eindwerk voorde opleiding 'Milieucoördinatortype A' aan het Instituut voorPermanente Vorming UGent (IVPV)organiseerde Annelies Verlee begin2009 een enquête bij de 129West- en Oost-Vlaamse gemeente-besturen over hun vergunningsbeleidop het vlak van kleine windturbines.Het beperkt geografisch bereik vande studie werd ingegeven door hetfeit dat West- en Oost-Vlaanderende meest windrijke Vlaamseprovincies zijn. Er werd de betrokkengemeentes een zeventiental vragen

voorgelegd. 'Slechts' 26 gemeentenvulden de enquête in. Webespreken hieronder enkele van debevindingen.

Gemeentelijk beleid nog in de kinderschoenenOp de vraag of er al een eigengemeentelijk kader bestaat rondkleine en middelgrote windturbinesantwoordt 88 % negatief (ziediagram 1). Slechts 12 % (driegemeenten) antwoordt positief. Eénvan deze gemeenten geeft daarbijaan de vergunningsaanvragensteeds te weigeren.

Richtlijnen omzendbrief zullenniet overal gehanteerd wordenGevraagd of de gemeenten in detoekomst hun beleid zullen baserenop de richtlijnen op de omzendbrief,geven drie gemeenten (15 % van degemeenten die deze vraagbeantwoordden) aan hun eigenkoers te willen varen (diagram 2).

Vrees voor verstoringvan het dorpsgezichtMaar liefst 62 % van derespondenten (tien gemeenten) is erzeker van dat de inplanting vankleine- of middelgrote windturbineseen verstoring van het dorpszichtzullen betekenen. Bovendien geeft25 % (vier gemeenten) aan dat ditwaarschijnlijk het geval zal zijn.

Met dank aan Power-Link UGent,ir. Joannes Laveyne en ir. Bert Renders

www.power-link.be

SITUATIE IN WALLONIË EN BRUSSELDe situatie in Wallonië en Brussel is hoofdzakelijk dezelfde als inVlaanderen. De zaken worden er echter iets anders afgebakend en ook derichtlijnen aan de gemeentebesturen worden anders geformuleerd. Heelwat informatie hieromtrent is consulteerbaar via de website van debelangenorganisatie voor hernieuwbare energie APERe.WALLONIE

In het Waals Gewest werkt men met de volgende indeling. 1. Voorinstallaties tot 100 kW is er een bouwvergunning en een zogenaamde'notice d'evaluation incidences sur l'environnement' (te vergelijken met deVlaamse 'beperkte lokalisatienota') nodig, maar geen milieuvergunning. 2.Voor turbines met een vermogen tussen 100 kW en 500 kW is er eenbouwvergunning en een 'déclaration d'environnement' (niet te verwarrenmet een milieuvergunning) nodig. 3. Installaties tussen de 500 kW en de3 MW kunnen enkel toegestaan worden als er naast een bouwvergunningook nog eens een milieuvergunning verkregen wordt. 4. Voor installaties met een vermogen van boven de 3 MW is naast eenbouw- en een milieuvergunning ook nog eens een 'Etude d'incidence surl'environnement' (te vergelijken met de Vlaamse 'volledige lokalisatienota')nodig. Alle aanvragen (ongeacht het vermogen) moeten behandeldworden door de gemeente(s) waar de installatie geplaatst zal worden. EenWaalse omzendbrief (cf. Vlaanderen) zou momenteel in de maak zijn.BRUSSEL

In Brussel is er nog een andere indeling. 1. Windturbines met eenvermogen van 1 kW tot 250 kW: klasse 1C; 2. Windturbines van250 kW tot 1 MW: klasse 1B; 3. Windturbines boven de 1 MW: klasse1C. Voor de drie klassen is een milieu- én een bouwvergunning vereist. Dekanttekening wordt echter gemaakt dat kleine windturbines tot op hedennog niet geschikt zijn voor implementatie in een stedelijke context (ziebrochure 'Windpotentieel in BHG' uitgegeven door het BIM).

Noorden

Zuiden

R = 2 x de hoogte

Windturbine

Figuur 2: Binnen een cirkelvormig gebied met als middelpunt de turbine en met alsstraal tweemaal de tiphoogte van de turbine mag er slechts 30 uur per jaar hinder doorslagschaduw zijn (Bron: Omzendbrief LNE/2009/11 – RO/2009/01)

KLEINEWINDTURBINES

Deel 1: Vergunnings-problematiek

(Elektricien nr. 4)Deel 2: Opbouw(Elektricien nr. 5)

Deel 3: Opbrengst- enrendementsproblematiek

(Elektricien nr. 6)

88,00%

4,00%4,00%4,00%

Heeft u al een eigen beleid rond kleine en middelgrote windturbines?

88 %: nog geen eigen beleid uitgestippeld;4 %: ja, maar aanvragen worden steeds geweigerd;4 %: ja, plus reeds gecommuniceerd naar burgers;4 %: ja, maar volgt hierbij standpunt van de provincie

45,00%

15,00%

20,00%

20,00%

Bent u van plan de richtlijnenuit de omzendbrief op te volgen?

45 %: zegt de richtlijnen te zullen opvolgen;20 %: zegt dit waarschijnlijk wel te zullen doen;20 %: heeft geen echt antwoord op de vraag;15 %: zegt een eigen koers te zullen varen

62,50%

25,00%

12,50%

Denkt u dat kleine of middelgrote windturbines het dorpszicht verstoren?

62,5 %: zegt dat windturbines het dorpszicht verstoren;25 %: zegt dat dit misschien het geval zal zijn;12,5 %: zegt dat dit waarschijnlijk niet zo zal zijn;0 %: ontkent dat dit het geval zal zijn

Diagram 1 Diagram 2 Diagram 3

ENERGIE

TYPES KLEINEWINDTURBINES

Doorgaans worden kleinewindturbines ingedeeld volgens hetontwerp van de rotor en de wieken.We onderscheiden daarbij tweehoofdcategorieën: enerzijds deturbines met een verticale rotoras(VAWT of 'Vertical Axis WindTurbine') en anderzijds de turbinesmet een horizontale rotoras (HAWT of'Horizontal Axis Wind Turbine').

Turbines met een verticale asDe turbines met een verticale rotoraszijn vaak kleiner en mechanischeenvoudiger opgebouwd dan huntegenhangers met een horizontale as.Ze kunnen relatief laag bij de grondopgetrokken en eventueel zelfs aaneen gebouw bevestigd worden. Hetgrote voordeel van een turbine meteen verticale as is dat deze nooitgekruid, d.w.z. naar de wind gerichtmoet worden. Bovendien kan degenerator beneden aan de voet van

de turbine opgesteld worden. Dit isniet alleen makkelijk bij het opzettenvan de turbine, maar ook later bij eenonderhoud of een eventuele reparatie.Toch gaan er ook enkele nadelen metdit type turbine gepaard. Zo rust hetvolledige gewicht van de rotoronderaan meestal op één enkelelager. Dit betekent dat bij hogerewindsnelheden deze lagerblootgesteld wordt aan erg hogetorsiekrachten. Niet alleen deze lagerwordt zwaar belast, ook derotorbladen krijgen het zwaar teverduren: de steeds wisselendebelastingen waaraan ze onderhevigzijn (in de wind, uit de wind, tegende wind in...) kan op termijn totvermoeiing en dus breuk leiden. Deopstelling relatief laag bij de grond,tot slot, brengt ook met zich mee datde optimale werking van de turbinevaker verstoord kan worden doorturbulentie of te lage windsnelheden.Binnen de turbines met een verticaleas kunnen we nog een aantalsubtypes onderscheiden:

• De Savoniusturbine: dezeturbine werkt volledig volgens hetprincipe van 'drag' (stootkracht),d.w.z. de wind oefent een directevoorwaartse druk op de rotorbladenuit waardoor deze beginnen rond tedraaien. Doordat er voor iederrotorblad dat door de windvoortgestuwd wordt ook telkens eenrotorblad is dat tegen de windteruggeduwd wordt, kan de turbineenkel roteren als het voortgestuwderotorblad meer wind vangt dan hetteruggeduwde rotorblad. Vandaardat deze rotorbladen steeds eengebogen vorm hebben: zo zal deholle kant steeds meer wind vangendan de bolle kant (zie figuur 1). Dittype turbine zal zelfs bij lagerewindsnelheden automatischbeginnen draaien. Het grote nadeelis evenwel dat de rotorbladenfysisch gezien nooit een hogeretipsnelheid dan 21 % van dewindsnelheid kunnen behalen.Hierdoor is het rendement en dusook de opbrengst vaak erg beperkt;

• De Darrieusturbine: deze turbinewerkt volgens het principe van 'lift'.Door de specifieke profilering vanhet rotorblad (airfoil) zal dewindstroom die net boven hetrotorblad loopt een hogere snelheidhebben dan de windstroom dieonder het rotorblad door loopt.Hierdoor ontstaat er een onderdruknet boven het rotorblad waardoordeze a.h.w. omhoog gezogenwordt (zie figuur 2). Dankzij deze werking kunnen derotorbladen een hogere snelheiddan de windsnelheid ontwikkelen.Het rendement en de opbrengst vandit type turbine zal dan ook veelhoger liggen. Nadeel is evenwel dat de turbineniet zelfstartend is. De rotorbladenmoeten immers al een bepaaldesnelheid hebben vooraleer de 'lift'-krachten kunnen beginnen spelen(vergelijk met een vliegtuig dieslechts kan opstijgen vanaf hetmoment dat deze een bepaaldesnelheid heeft). Bij het opstarten zal

MELbe0005N60_v01.odt

KLEINE WINDTURBINESWACHTEN OP GROTE DOORBRAAK [DEEL 2]

HORIZONTALE AS TURBINE MET PERMANENTE MAGNEETSYNCHROON GENERATOR DOMINEERT MOMENTEEL DE MARKTDe steeds toenemende CO2-concentratie in de aardse atmosfeer, de sterkfluctuerende energieprijzen en de politieke verwikkelingen in landen rijk aangrondstoffen, hebben bij de politieke leiders in Europa het besef aangewakkerddat een overstap naar schone energie die zoveel mogelijk decentraalgeproduceerd wordt, nu toch stilaan dringend wordt. Kleine windturbines passenperfect in dit plaatje, maar jammer genoeg staat deze markt in België nog in zijnkinderschoenen en zijn onze gemeentes voorlopig nog erg terughoudend in hetafleveren van de nodige bouwvergunningen. In dit artikel bespreken we deverschillende types kleine windturbines die momenteel op de markt beschikbaarzijn en dit ingedeeld volgens rotorontwerp. We gaan ook dieper in op enkeleandere onderdelen (generatoren, omvormers, koppelingen met het elektriciteitsnet,masten...) die noodzakelijk zijn voor de goede werking van de turbine.

Door Bart Desanghere

Deze turbine beschikt over eenzelfkruiend mechanisme waardoor hetrotoroppervak steeds loodrecht in dewindrichting gebracht wordt

Figuur 1: 'drag'-principe bij de Savoniusturbine; deze horizontale doorsnede toont degebogen rotorbladen; de holle kant zal steeds meer wind vangen dan de bolle kant('Multifunctionele data-acquisitie voor decentrale energieproductie', J.Laveyne 2010)

Figuur 2: 'lift'-principe; deze verticale doorsnede toont hoe de luchtstroom eenlangere weg moet afleggen boven t.o.v. onder het profiel; hierdoor ontstaat een hogeresnelheid, een onderdruk en bijgevolg liftwerking (Bron: J.Laveyne 2010)

'Lift'-werking

Wind

'Drag'-werkingaan holle kant

rotorblad

Tegengestelde kracht aan bolle kant rotorblad

Luchtstroom'Drag'-werking

Verticale doorsnede rotorblad (airfoil)

Horizontaledoorsnederotorblad

ENERGIE

de generator hier dus even alsmotor moeten fungeren.

Op de twee hierboven beschrevensubtypes zijn echter ondertussen alheel wat variaties gebouwd metaanpassingen die de nadelen moetenwegnemen en het rendementverhogen. Niettemin moeten wevaststellen dat in het overgrote deelvan de gevallen de prestaties vandeze turbines overschaduwd wordendoor de prestaties van de turbines methorizontale as.

Turbines met een horizontale asDeze rotoropbouw is momenteel demeest dominante uitvoeringsvorm vaneen turbine. Turbines met eenhorizontale as behalen een groterrendement dankzij drie verschillendeelementen:• Eerst en vooral zal de masthoogte

bij dit type turbine vaak groter zijndan bij het type met verticale as.Hierdoor is de turbine op groterehoogte gepositioneerd en kan dezeprofiteren van gemiddeld gesprokenhogere windsnelheden;

• Ten tweede werken deze turbinessteeds volgens het principe van 'lift'waardoor het rendement veel hogerligt;

• Bovendien is het zo dat er op geenenkel moment een rotorblad is dieeen kracht uitoefent tegengesteldaan de windrichting (wat wel hetgeval was bij de turbines met eenverticale as). Iedere rotorwiekgenereert dus gedurende de

volledige omtrek arbeid.Tegenover dit hoog rendement staanevenwel ook een aantal nadelen. Zomoet men het rotoroppervlak steedsloodrecht in de windrichting brengen.De turbine moet m.a.w. gekruidworden. Dit verhoogt de mechanischecomplexiteit van het ontwerp. Ook ishet zo dat de generator steedsbovenaan in de gondel gemonteerdmoet worden. Dit verhoogt niet alleen demoeilijkheidsgraad van de installatieen de eventuele onderhoudswerken,maar brengt vaak ook praktischeproblemen met zich mee wat betrefthet voorzien van de elektrischebekabeling vanuit de roterendegondel tot beneden aan de voet vande mast.

KRUISYSTEEMHier heeft men de keuze tussen eenactief kruisysteem, waarbij een motorde gondel doet roteren, of eenpassief kruisysteem waarbij eenwindvaan of de vorm van de wiekende gondel richt. Een actief kruisysteemreageert iets trager op dewindveranderingen, maar is mindernerveus. Een passief kruisysteemreageert dan weer sneller, maar isnerveuzer. Beide systemen kunnengebruikt worden bij zowel upwindturbines (rotoroppervlak in de wind)als bij downwind turbines(rotoroppervak windafwaarts).

GENERATOREN

De DC-generatorDe DC-generator (ook wel eendynamo genoemd, zie figuur 3) is vande drie hierboven aangehaaldegeneratortypes het minst gebruiktetype. Het wordt slechts ingezet bij ergkleine toestellen met een zeer beperktvermogen. De DC-generator wordt rechtstreeksaan de rotor gekoppeld. Het aldusopgewekte vermogen wordt via eenlaadcontroller in een batterijopgeslagen. Indien gewenst kan menna de batterij in een wisselrichtervoorzien die de gelijkspanning inwisselspanning omzet. Het rendementvan deze opbouw is erg laag.

De Permanente MagneetSynchroon Generator (PMSG)Dit type generator (zie figuur 4) isvoor kleine windturbines momenteelhet meest voorkomende type. Ook dePMSG, een wisselstroomgenerator, isrechtstreeks gekoppeld aan de rotor.Door deze rechtstreekse koppeling isde frequentie van de opgewektespanning in hoge mate afhankelijkvan het toerental van de rotor en dusook van de windsnelheid. Defrequentie kan m.a.w. sterk variërendoorheen de tijd.We noemen dit ook wel 'Wild AC'.Via een omvormer zal men hieruitvervolgens een mooie 50 Hz golfdistilleren. Het grote voordeel van dittype generator is dat het bij een groot

bereik aan windsnelheden een mooieoutput zal realiseren.

De Asynchrone GeneratorDe asynchrone generator (zie figuur 5)wordt meestal toegepast bij groterewindmolens (alhoewel ook daar meeren meer gebruik gemaakt wordt vansynchrone generatoren), maar is ookgeschikt voor de grootste variantenonder de kleine windturbines. Hetgrote voordeel van de asynchronegenerator is dat deze een mooie50 Hz wisselspanning genereert. Hetnadeel is evenwel dat voor eenoptimale werking van dit typegenerator een hoog toerental nodigis. Aangezien de rotorbladen zelf hetvereiste toerental niet kunnen halen iser een overbrenging nodig die hetlager toerental van de rotorbladenomzet in het hoger toerental van deinductiegenerator. Deze overbrengingbrengt echter een hoger gewicht, eenverminderd rendement en meergeluidsproductie met zich mee. Devaste 50 Hz frequentie brengtbovendien ook met zich mee dat hetsnelheidsbereik van een turbineuitgerust met dergelijke generatoraanzienlijk kleiner zal zijn dan hetsnelheidsbereik van een turbineuitgerust met een PMSG. Na degenerator wordt een softstartergeplaatst om spanningspieken tijdenshet inschakelen te reduceren. Degenerator is ook met een rem uitgerustom plotse variaties in het rotortoerentalop te vangen.

Figuur 3: DC generator; enkel voor kleine toestellenmet een beperkt vermogen (Bron: J. Laveyne 2010)

Figuur 4: PMSG; het meest gebruikte type generatorvoor kleine windturbines (Bron: Bert Renders)

Figuur 5: Asynchrone generator; vaak gebruikt in degrotere windturbines (Bron: Bert )

DC Generator

Batterij

Laadcontroller Inverter

Synchrone Generator

Omvormer

OverbrengingInductie Generator

Softstarter

Figuur 6: omvormer bij een permanente magneet synchroon generator; de Wild AC geproduceerd door de PMSG wordt via een driefasige gelijkrichtersbrug omgezet in eengelijkspanning die vervolgens opgetransformeerd wordt door de DC-DC-converter en omgezet naar een 50 Hz wisselspanning door de inverter (Bron: J.Laveyne 2010)

Permanente Magneet Synchroon Generator

1. Driefasige Gelijkrichtersbrug 2. DC-DC Converter 3. Inverter

ENERGIE

OMVORMERS

Invertergekoppelde systemenVooraleer deze op het elektriciteitsnettoe te laten, dient men de door dePMSG opgewekte, grilligewisselspanning (Wild AC) om te zetennaar een mooie 50 Hzwisselspanning. Dit gebeurt eerst envooral door de wisselspanning viaeen driefasige gelijkrichtersbrug om tezetten naar een gelijkspanning (ziefiguur 6, stap 1). Vervolgens wordthet spanningsniveau via een DC-DC-converter opgetransformeerd (figuur 6,stap 2). Tot slot zet een inverter dezeopgetransformeerde gelijkspanningom tot een wisselspanning (figuur 6,stap 3). We onderscheiden hierbijeen netgestuurde inverter en eenzelfgestuurde inverter:• De netgestuurde inverter wordt

gestuurd door de spanning van hetnet. Tijdens een positieve alternantielaten ze een positieve stroomvloeien en omgekeerd, tijdens eennegatieve alternantie, een negatievestroom. Aangezien de resulterendestroomvorm allesbehalvesinusvormig is, dient men in eengrote uitgangsfilter te voorzien omde gekende sinusvormige 50 Hz-golf te produceren;

• De zelfgstuurde inverter zal (inhet merendeel van de gevallen)pulsbreedtemodulatie (PWM)toepassen om de uitgangsstroom teregelen. Door de pulsbreedte tedoen toenemen of inkrimpen zalook de doorgelaten stroom stijgenof afnemen. Een relatief kleineuitgangsfilter zal de afzonderlijkepulsen dan 'uitmiddelen' tot eensinusvorm.

Invertergekoppelde systemen in eilandbedrijfDe opgewekte spanning wordt niet

steeds op het openbare netovergedragen. Sommige windturbinesvormen immers de stroombron(nen)van een apart net (bijvoorbeeld vooreen bedrijfsterrein). Aangezien deomvormer nu zelf verantwoordelijk isvoor het in stand houden van het net,zal het hier steeds gaan om eenzelfgestuurde omvormer.

Rechtstreekse netkoppelingEen asynchrone generator (ziefiguur 7) kan rechtstreeks op het netaangesloten worden. Hiervoor is eenstar net nodig zodat de netfrequentieniet kan wijzigen onder invloed vande generator. De generator kent tweewerkingsgebieden:• Motorwerking: bij het opstarten

zal de netfrequentie hoger zijn dande rotorfrequentie. In dat gevalwordt de generator aangedrevendoor het net en werkt deze eigenlijkals een motor.

• Generatorwerking: vanaf hetmoment dat de rotorfrequentiehoger ligt dan de netfrequentiewordt stroom opgewekt. De'supersynchroon' draaiendegenerator werkt vanaf dat ogenblikdus pas echt als een generator.

Op het moment dat dewindsnelheden te laag zijn om eensupersynchrone werking te blijvengaranderen en de generator dus weerop motorfunctie 'terugvalt', dient dekoppeling met het net automatischverbroken te worden. Het kan immersniet de bedoeling zijn dat dewindturbine stroom verbruikt in plaatsvan opwekt (behalve dan bij hetopstarten). Deze ontkoppelingsfunctiewordt vaak vervuld door de softstarter.

NETKOPPELINGDe distributienetbeheerder heeftenkele regels opgesteld betreft de

injectie van lokaal opgewekte energieop het elektriciteitsnet. Eenongecontroleerde lokale injectie kannamelijk voorvermogensonevenwichten en netuitvalzorgen, de veiligheid van dewerknemers van de DNB in gevaarbrengen en de levensduur vannetgekoppelde apparaten vanwegeharmonische vervuiling enspanningspieken reduceren. Volgendedocumenten reglementeren dekoppeling met het net:• Synergrid reglement (paragrafen

C10/11 en C1/107);• Algemeen Reglement voor

Elektricische Installaties (AREI);• Technische Reglement Distributie

Elektriciteit (TRDE) van de VREG;Concreet komt het erop neer dat bijeen netkoppeling tot een maximaalAC invertervermogen van 10 kWgespreid over drie fasen of 5 kW opeen eenfasig systeem, de installatieonder een de eenvoudige regelingvalt (systeem met een terugdraaiendeteller). Het traditionele AREIkeuringscertificaat is dan voldoende.Er zijn geen bijkomendenetbeveiligingsmechanismen nodig.Voorwaarde is wel dat de invertersniet in eilandbedrijf kunnen werken.Wanneer de installatie de hierbovenvermelde waardes overschrijdt, komtmen in een systeem voor middelgroteinjectievermogens terecht(vierkwadranten meter). De installatiedient dan voorzien te worden van eenzogenaamde netontkoppelings-beveiliging. Deze zal de installatievan het net ontkoppelen bij:• Te grote onbalans tussen de fasen;• Overspanning en overstroom;• Netuitval;• Andere netanomalieën.De netontkoppelingbeveiliging bestaat uit:• Een zichtbare lastscheider;

• Een niet automatischherinschakelend ontkoppelrelais;

• Asymmetriebeveiliging die hetontkoppelrelais kan schakelen,

• Netbeveilging die hetontkoppelrelais kan schakelen;

• Een start/stop bediening;• Een UPS om de beveiliging bij

netuitval of slechte netkwaliteit tevoeden.

De netontkoppelbeveiliging moetdaarnaast ook door de DNBgekalibreerd en getest worden. Ditalles brengt aanzienlijke extrainvesteringskosten met zich mee en deinvesteerder dient hier dan ookrekening mee te houden als eeninstallatie begroot wordt.

MASTEN EN FUNDERINGVoor de kleine windturbines dievandaag op de markt zijn, bestaan erdrie soorten masten:• De buismast;• De vakwerkmast;• De getuide mast.Deze masten worden doorgaansopgetrokken d.m.v. een kraan. Eenbetonnen fundering is in het overgrotedeel van de gevallen gewenst.

Bron: Joannes Laveyne, 'Mulitfunctioneledata-acquisitie voor decentrale

energieproductie, casus veldlaboratoriumwindturbines' (2010)

Met dank aan Power-Link UGent, ing. J. Laveyne en dr. ir. Bert Renders

KLEINEWINDTURBINES

Deel 1: Vergunnings-problematiek

(Elektricien nr. 4)Deel 2: Opbouw(Elektricien nr. 5)

Deel 3: Opbrengst- enrendementsproblematiek

(Elektricien nr. 6)

Figuur 7: Asyncrhone generator; bij lagere windsnelheden zal de turbine subsynchroon draaien (motorgebied); opdat moment dreigt de turbine stroom te gebruiken i.pv. op te wekken en moet de koppeling met het net verbrokenworden; ook is er voorzien in een rem om ev. de rotorfrequentie bij te stellen (Bron: J. Laveyne 2010)

Deze kleine windturbine met passief kruisysteem staatgemonteerd op een vakwerkmast; de 'voorkant' van hetrotoroppervlak staat naar de wind gericht

Remgebied Motorgebied

Generatorgebied

Mot

orfu

nctie

Gen

erat

orfu

nctie

Bij nominalespanning U

1

Bij 50% U1

ENERGIE

NEGATIEVE BERICHTGEVING

In de afgelopen jaren is er heel watnegatieve berichtgeving verschenenover het rendement van kleinewindturbines. Verschillendewetenschappelijke testprojectenwezen uit dat de overgrotemeerderheid van de geteste turbinesniet de door de fabrikant op jaarbasisbeloofde hoeveelheid energieopleverden. In bepaalde gevallenzouden de windturbines zelfs meerelektriciteit verbruiken dan opwekken.Wij bekeken voor u de resultaten enrapporten van de bewuste projecten(Schoondijke in Zeeland en hetWarwick Project in Groot-Brittanië)van naderbij.

Schoondijke (Zeeland)Het project in Schoondijke(grondgebied van de gemeente Sluis)werd tot stand gebracht door eensamenwerkingsverband tussen vijfverschillende partijen:

• Delta N.V. (een energieleverancieractief op de Nederlandse markt);

• Provincie Zeeland;• Gemeente Sluis;• Stichting Zeeuwind (een

coöperatieve vereniging met alsdoel het bevorderen vanwindenergie en andere vormen vanduurzame energie in de provincieZeeland);

• Greenlab (een joint venture tussenEneco en Greenchoice, tweeNederlandse leveranciers vangroene energie).

Het testproject startte op 1 april 2008en loopt nog steeds. Enkele van devoorlopige resultaten die uit hettestproject voortkwamen, wordenonderaan weergegeven in tabel 1.Indien u er rekening mee houdt dateen gemiddeld gezin een jaarlijkseelektriciteitsbehoefte van zo'n3.400 kWh heeft, dan zult u al snelmerken dat deze resultaten op heteerste gezicht inderdaad niet ergbemoedigend zijn. Maar bij nader

inzien mogen we toch ook niet al tepessimistisch zijn. Uit de resultatenextrapoleerden de onderzoekers naafloop van het project voor ieder typekleine windturbine de prijs per kWhover een productieperiode van 15jaar (het is niet erg duidelijk of menhier enkel de investeringskost of deinvesteringskost aangevuld met deonderhoudskost in rekening nam).Hieruit bleek dat voor de meeste typesdeze prijs rond de 5 euro per kWhligt, wat globaal genomenvergelijkbaar is met de prijs die deconsument aan een doorsneeenergieleverancier betaalt (hou er welrekening mee dat op termijn eenstijging van de marktprijzen wordtverwacht). De types 'Montana' en'Skystream' scoorden echter duidelijkbeter: voor deze types lag de prijsrond de 0,5 euro per kWh (volgensde onderzoekers even goed als hetgemiddelde zonnepaneel). Er bestaandus grote verschillen tussen de diversetypes, wat de onderzoekers ietwat

vaag toeschrijven aan 'de nog jongemarkt' zonder daarbij echter verder inte gaan op eventuele technischeverklaringen. De hierboven genoemdeprijzen liggen volgens deonderzoekers echter nog ver bovende prijs per kWh voor een grotewindturbine: 0,03 euro. De redenwaarom de resultaten uit hettestproject in Schoondijke lager dande algemene verwachtingenscoorden, was dat men vooraf op desite hogere windsnelheden hadverwacht. Men ging bij de opstartvan het project uit van eengemiddelde windsnelheid (op 10meter hoogte) zoals die de voorbijejaren op het naburige weersstationHoofdplaat werd opgemeten, d.w.z.5 m/s. In werkelijkheid werd er eengemiddelde windsnelheid van 3,5 à3,8 m/s opgemeten. Het verschil lijktniet veel, maar is wel erg significantwanneer men weet dat:• Bij een halvering van de

windsnelheid de opbrengst met

MELbe0006N60_v01.odt

KLEINE WINDTURBINES WACHTEN OP GROTE DOORBRAAK [DEEL 3]

RENDEMENT KLEINE WINDTURBINES KAN (VOORLOPIG?) NOGNIET OPBOKSEN TEGEN HET RENDEMENT VAN PV PANELEN

De steeds toenemende CO2-concentratie in de aardse atmosfeer, de sterkfluctuerende energieprijzen en de politieke verwikkelingen in landen rijk aangrondstoffen, hebben bij de politieke leiders in Europa het besef aangewakkerddat een overstap naar schone energie die zoveel mogelijk decentraalgeproduceerd wordt, nu toch stilaan dringend wordt. Kleine windturbines passenperfect in dit plaatje, maar jammer genoeg staat deze markt in België nog in zijnkinderschoenen en zijn onze gemeentes voorlopig nog erg terughoudend in hetafleveren van de nodige bouwvergunningen. In dit derde en laatste deel van onzereeks gaan we dieper in op de kostprijs en het rendement van windturbines.Hoeveel waar krijgt de investeerder voor zijn geld? Kunnen windturbines deconcurrentie met PV panelen reeds aan? Tot slot vertellen we u ook hoe u eencorrecte inschatting van de te verwachten jaaropbrengst maakt.

Door Bart DesanghereWetenschappelijke testprojecten zoalshier in Oostende geven ons een beeldvan de reële energieopbrengst

TABEL 1: RESULTATEN TESTPROJECT KLEINE WINDTURBINES ZEELAND (SCHOONDIJKE 1/4/'08 - 31/08/'10)TYPE WRE 060 Skystream Airdolphin WRE 030 Energy Ball Passaat Montana Turby Ampair

OPBRENGSTEERSTE JAAR

485 kWh 2.109 kWh 393 kWh 404 kWh 73 kWh 578 kWh 2.691 kWh 247 kWh 245 kWh

OPBRENGSTTWEEDE JAAR

526 kWh 2.171 kWh 406 kWh 612 kWh 65 kWh 660 kWh 2.315 kWh 326 kWh 341 kWh

OPBRENSTDERDE JAAR

185 kWh 805 kWh 148 kWh 222 kWh 24 kWh 240 kWh 990 kWh 127 kWh 136 kWh

VERBRUIK 23 kWh 51 kWh 133 kWh 21 kWh 0 kWh 0 kWh 5 kWh 217 kWh 19 kWh

PRIJS € 37.187,50 € 10.742,03 € 17.548,00 € 29.512,00 € 4.324,00 € 9.239,16 € 18.508,07 € 21.350,00 € 8.925,00

Opmerking 1: de gemiddelde windsnelheid bedroeg tijdens het eerste jaar 3,7 m/s, tijdens het tweede jaar 3,8 m/s en tijdens het derde jaar 3,5 m/s;Opmerking 2: er werden ook nog enkele andere types getest, maar niet gedurende de volledige testperiode (Swift: 191 kWh opbrengst en 66 kWh verbruik in 10 maanden;Raum: 633 kWh opbrengst en 75 kWh verbruik in 12 maanden; DonQi: 78 kWh opbrengst en 14 kWh verbruik in 4 maanden; Windwalker: werkte niet);Opmerking 3: het derde jaar telde slechts 5 maanden; Bron: http://kreeft.zeeland.nl/zeesterdoc/ZBI-O/ZEE/ZEE0/8012/801257_1.pdf (website provincie Zeeland)

ENERGIE

maar liefst een factor acht zalverminderen (en vice versa);

• De meeste kleine windturbines nietwerken bij een windsnelheid lagerdan 3 m/s, wat volgens deonderzoekers voor ruim 50 % vande tijd het geval was.

De belangrijkste conclusie die wekunnen trekken uit het testproject inSchoondijke (en die ook in hunrapport door de onderzoekersgeformuleerd wordt) is dat eennauwkeurige windstudie voorafgaandaan de inplanting onontbeerlijk is.

Warwick Project (Groot-Brittanië)Het Warwick Project in Groot-Brittaniëliep tussen 2006 en 2008 en werdgeleid en gecoördineerd door Encraft,een onafhankelijk ingenieursbureaudat zich gespecialiseerd heeft indecentrale energieopwekking, CO2-neutraal bouwen... Het geld kwamvan sponsors hoofdzakelijk uit depublieke sector (fondsen,gemeentebesturen, vzw's...) en vanparticulieren die de windturbines ookdaadwerkelijk aankochten. Hetproject bestond uit het uittesten van29 kleine windturbines verspreid overheel Groot-Brittanië. De meeste vandeze windturbines stonden opgesteldin stedelijke omgevingen en werdenbevestigd aan hoge gebouwen ofvrijstaande huizen. De resultaten vanhet project zijn, nog meer dan deresultaten uit het project in

Schoondijke, niet erg bemoedigenden vindt u terug in tabel 2 onderaandeze pagina.OpbrengstproblematiekWat in deze resultaten vooral opvalt,zijn de grote discrepanties tussen dedoor de fabrikant voorspeldeopbrengsten en de werkelijkeopbrengsten. De reële output opjaarbasis ligt globaal genomen 2 à 4keer, en bij sommige types zelfs 10 à20 keer, lager dan de output die bijaanvang van het projectvooropgesteld werd. Dit had net zoalsbij het project in Schoondijke vooreen groot stuk te maken met eenoverschatting van de gemiddeldewindsnelheden ter plaatse. Maar zelfsindien men in de berekeningen deoorspronkelijk voorspeldewindsnelheden vervangt door de reëelopgemeten windsnelheden, dan nogligt de voorspelde output een stukhoger dan de reëel gemeten output.Dit wijst erop dat er niet alleen eenprobleem is met de modellen voor hetberekenen van de gemiddeldewindsnelheid, maar ook met devermogenscurves die opgesteldworden door de fabrikanten.Eenvoudig gezegd: een groot deelvan de fabrikanten pretendeert dat detoestellen betere prestaties kunnenafleveren dan ze in werkelijkheiddoen. Een belangrijke eindconclusieuit het rapport is dan ook dat er eenduidelijke nood bestaat aan eeninternationaal toegepaste

TABEL 2: RESULTATEN TESTPROJECT WARWICK WIND TRIALS PROJECT (GROOT-BRITTANIË 1/10/'07 - 1/10/'08)TYPE TURBINE Ampair Zephyr Ampair Windsave Ampair Windsave Ampair Zephyr

TYPE INVERTER Sunny Boy Windy Boy Sunny Boy Windsave Sunny Boy Windsave Windy Boy Windy Boy

TOTALEOPBRENGST

53,67 kWh 63,75 kWh 74,63 kWh 109,13 kWh 50,27 kWh 55,79 kWh 51,64 kWh 14,20 kWh

GESCHATTEOPBRENGST

154,81 kWh 217,43 kWh 1.012,26 kWh 204,82 kWh 1.084,48 kWh 68,78 kWh 1.295,44 kWh 32;35 kWh

WINDSNELHEID 2,22 m/s 2,18 m/s 4,59 m/s 2,74 m/s 5,02 m/s 2,04 m/s 6,22 m/s 2,02 m/s

REFERENTIE-NAAM SITE

LilingtonRoad

Leicester SouthornCourt 1

DaventryTown Hall

SouthornCourt 2

DaventryCountry Park

EdenCourt 2

Thatcham

Opmerking 1: In het testproject werden in totaal 29 windturbines op verschillende sites getest; de acht hier vermelde resultaten zijn een willekeurige selectie uit die projectenwaarvan de testresultaten het meest compleet waren; Opmerking 2: Sommige data zijn gedeeltelijk verloren gegaan (Daventry Country Park, Thatcham);Opmerking 3: Sommige turbines werden tijdelijk stilgelegd wegens geluidsoverlast (Lilington Road, Southorn Court 1 & 2, Eden Court 2) of vervanging van onderdelen(Southorn Court 1 & 2, Daventry Town Hall, Eden Court 2 ) Bron: http://www.warwickwindtrials.org.uk

Figuur 1: Gemiddelde windsnelheid in België op 10 m hoogte; de hier gebruiktewaardes zijn echter afgeleiden van metingen op grotere hoogte, waardoor de kaartzeker niet voor de volle 100 % betrouwbaar is

BEREKENING VAN HET ROTORRENDEMENT

DEFINITIE

Een turbine gebruikt de kinetische of bewegingsenergie van de wind omkoppel en vermogen te genereren. Het rotorrendement van een turbine geeftde verhouding aan tussen de door de rotor aan de wind onttrokken energieen de totale energie in de wind. Grote windturbines kunnen makkelijk eenrotorrendement halen van 45 %. Voor kleine windturbines is dit ca. 20 %.HOEVEELHEID ENERGIE IN DE WIND

Kinetische energie valt te formuleren als: 'Ek = ½ x m x v²', met 'm' deluchtmassa en 'v' de windsnelheid. Een turbine kan echter enkel kinetischeenergie extraheren uit de wind die door zijn omschreven rotoroppervlak Astroomt en dit met een massadebiet 'm = ρ x v' waarbij ρ de soortelijkemassa van de lucht is. De totale hoeveelheid energie die door hetrotoroppervlak van de turbine stroomt kunnen we dus omschrijven als'Ek = ½ x ρ x A x v³'. Bemerk dat de kinetische energie van de wind dusvolgens de derde macht toeneemt met zijn snelheid. Een verdubbeling van dewindsnelheid leidt dus tot een verachtvoudiging van de aanwezige kinetischeenergie. Ook de luchtdichtheid speelt een rol. Bij lagere temperaturen enhoogtes is ρ hoger en kan er dus meer energie uit de wind gehaald worden.Omgekeerd is bij hoge temperaturen en hoogtes het geproduceerdevermogen lager. Een locatie op zeeniveau bij lage temperaturen is dus vanuitenergetisch standpunt gezien aan te raden.ROTORRENDEMENT

Net zoals alle machines heeft een turbine een bepaald rendement. Niet allekinetische energie aanwezig in de wind kan immers in nuttig vermogenworden omgezet. Het rendement van een turbine wordt bepaald door derotorefficiëntie, aangeduid als Cp. Het vermogen dat een turbine uit de windgenereert is aldus: 'P = ½ Cp x ρ x A x v³'.TURBINES MET VERTICALE EN HORIZONTALE AS

Bij een turbine met een verticale as is de rotorefficiëntie afhankelijk van dedragcoëfficiënt CD en de tipspeedratio λ. Bij een turbine met een horizontaleas is de rotorefficiëntie afhankelijk van zowel de dragcoëfficiënt CD als deliftcoëfficiënt CL die elk op hun beurt weer afhankelijk zijn van de invalshoek α, ook wel aanvalshoek genaamd.BETZ-LIMIET

Fysisch gezien is het percentage energie dat een rotor aan de windstroomkan onttrekken beperkt tot 59,3 %. Deze waarde noemt men ook wel deBetz-limiet. In de praktijk wordt dit rotorrendement echter nooit gehaald.

6 m/s

5 m/s

4 m/s4 m/s

GROENESTROOMCERTIFICATENParticulieren of bedrijven die zelf groene stroom opwekken, kunnen hiervoor

groenestroomcertificaten aanvragen bij de VREG. Per 1.000 kWhgeproduceerde groene energie kan men één certificaat aanvragen. Voor hetopwekken van energie met een kleine windturbine ligt de marktwaarde van

een dergelijk certificaat momenteel op 108 euro. Indien hij dit wenst, kan deeigenaar van de windturbine een overeenkomst afsluiten met de

distributienetbeheerder dat deze laatste de certificaten gedurende een periodevan 10 jaar (ingaand bij de ingebruikname van het toestel) tegen een

gegarandeerde vaste minimumprijs van 90 euro (voor installaties in gebruikgenomen vanaf 2010) zal opkopen. Voor installaties tot 10 kW kan u

gebruik maken van een terugdraaiende of bidirectionele teller. Turbines meteen vermogen dat hoger ligt dan 10 kW hebben een speciale netkoppelingnodig. Voor meer info hierover: zie Elektricien 5 (Kleine windturbines; deel 2:

opbouw). Bron: www.energiesparen.be (geraadpleegd op 26/10/2010)

ENERGIE

standaardmethode om devermogenscurves van kleinewindturbines op te stellen en bekendte maken. Deze standaardmethodebestaat reeds (IEC61400), maar heelwat fabrikanten volgen deze methodeniet of toch niet strikt genoeg op. Opdie manier zullen voorspellingenomtrent de jaarlijkse output veelbetrouwbaarder worden (opvoorwaarde dat er ondertussen ookcorrectere windstudies uitgevoerdkunnen worden) en zal het voor deconsument ook veel makkelijkerworden om verschillende toestellenmet elkaar te vergelijken.OverlastproblematiekNaast de opbrengstproblematiek,was ook de overlastproblematiek eenbelangrijke component in hetWarwick Project. Vooral rondgeluidsoverlast kwamen er gedurendede loopduur van het project eenaantal klachten binnen. In enkelegevallen moest de windturbine zelfsdefinitief worden stilgelegd. Deonderzoekers benadrukken echter datde geluidsproductie van windturbinesin de toekomst nog gereduceerd kanworden. Uit onderzoek blijkt immersdat de geluidsproductie niet alleengecorreleerd is aan de windsnelheid,maar ook aan het ontwerp van derotorbladen. De zoektocht naar eenrotorontwerp dat én hoog scoort ophet vlak van efficiëntie én tegelijkertijdook geluidsarm is, is ondertussenvolop bezig.

CORRECTE INSCHATTINGJAARLIJKSE PRODUCTIE

Vooraleer uw klant zijn centeninvesteert in een kleine windturbinezal hij eerst willen weten hoeveelenergie hij er jaarlijks mee kanopwekken en dus hoeveel centen hijkan uitsparen. Een zo correctmogelijke inschatting hiervan, is dusvan primordiaal belang. Dezevoorspelling start vanuit tweebasisgegevens: de vermogenscurvevan de turbine en hetwindverdelingsdiagram voor de sitewaar de turbine ingepland zalworden.

VermogenscurveNet zoals iedere machine presteertook een turbine optimaal bij eenbepaald werkingspunt, in dit gevaleen bepaalde windsnelheid ofrotortoerental.Dit werkingspunt, ofeerder een bereik aan nuttigewerkingspunten, is meestal het puntwaarop de turbine haar opgegevenvermogen bereikt. Meestal, maar nietaltijd, valt dit samen met het maximalegeneratorvermogen. Zo zien we dathet optimale werkingspunt (2,4 kW)van een Skystream met eenpiekvermogen van 2,4 kW bereiktwordt bij windsnelheden hoger dan10 m/s (zie figuur 2). Bijwindsnelheden tussen de 5 m/s en10 m/s zien we dat hetgegenereerde vermogen een curve

TWEE WETENSCHAPPELIJKE TESTPROJECTENI.S.M. GREENBRIDGE, POWER-LINK EN SET

AANLEIDING TESTPROJECTEN

In navolging van de testprojecten in Nederland (Schoondijke) en Groot-Brittanië (Warwick Wind Trials Project), besloot ook de Ugent eengelijkaardig project op poten te zetten. Dit project is in handen van hetenergiekennisplatform Power-Link en is gelocaliseerd in het GreenbridgeWetenschapspark.GREENBRIDGE WETENSCHAPSPARK

Greenbridge is het West-Vlaamse Wetenschapspark van de Universiteit Gent,gelegen in de achterhaven van Oostende. Het huisvest de gelijknamigeGreenbridge Incubator, opgericht door de Universiteit Gent, POM West-Vlaanderen, de Katholieke Hogeschool Brugge-Oostende en AG HavenOostende. Het Greenbridge Wetenschapspark richt zich naar startende endoorgroeiende ondernemingen met een bijzondere focus op cleantech ensmarttech. Het UGent energiekennisplatform Power-Link, gevestigd in deincubator, vormt als het ware de motor van dit Wetenschapspark. Debelangrijkste activiteiten van Power-Link bestaan uit netwerking,informatiedienstverlening en begeleiding van KMO's in onderzoeksprojecten.PROJECTEN OP HET VLAK VAN WINDENERGIE

Op het vlak van windenergie heeft Power-Link twee projecten lopen. In eersteinstantie is er het ‘Small Wind Turbine Field Laboratory’. Ditveldlaboratorium wordt volledig uitgerust om metingen te doen bij 10windturbines met als primaire doelstelling een beoordeling van de elektrischeen mechanische eigenschappen, de geluidsproductie, de efficiëntie en deenergieopbrengst bij kleine windturbines. In een tweede fase zullen specifiekeaspecten geoptimaliseerd worden met als doel het ontwikkelen van eenbetrouwbare, geluidsarme en efficiënte kleinschalige windturbine. Daarnaastis er de ‘Small Wind Turbine Demonstration Site’. Het GreenbridgeWetenschapspark biedt producenten en installateurs van kleine windturbinesde mogelijkheid tot demonstratie en monitoring van hun producten. Deenergieopbrengst van de windturbines en de windsnelheid en windrichtingworden opgemeten en gevisualiseerd (zie foto bovenaan). Op deze manierkunnen producenten en installateurs op een voordelige en eenvoudige manierde werkelijke opbrengst van hun producten aantonen.ONLINE RESULTATEN 'SMALL WIND TURBINE DEMONSTRATION SITE'De voorlopge resultaten van het project 'Small Wind Turbine DemonstratioSite' zijn online raadpleegbaar via www.power-link.be/wind. Onderaan dezepagina in tabel 3 treft u de stand van zaken aan opgetekend op24/09/2010 (10u30). In deze tabel worden ook de resultatenweergegeven van een gelijklopend project met PV installaties, eveneensgelocaliseerd binnen het Wetenschapspark. Volgende zaken vallen op:• Indien we elk merk (Energy Ball en Raum) afzonderlijk bekeken, bestaat er

een duidelijke correlatie tussen het vermogen van de turbine en degeschatte jaarlijkse productie. Wanneer men het vermogen van de turbinemet een bepaalde factor vermenigvuldigt, vermenigvuldigt ook de geschattejaarlijkse productie met ongeveer dezelfde factor;

• De twee geteste merken verschillen echter duidelijk van elkaar op het vlakvan behaald rendement. De Raum haalt hierbij betere resultaten. Dezebetere prestatie is duidelijk niet gecorreleerd met het vermogen van degenerator, maar wellicht wel met het grotere rotoroppervlak;

• De gemiddelde windsnelheid (4,178 m/s) scoort ver onder de volgens dewindkaarten (op 10 m hoogte) te verwachten 5 à 6 m/s (hoewel er in dezomer altijd wat minder wind is). Dit geeft aan dat de windkaarten,waarvan de waarden eigenlijk afgeleiden zijn van metingen op groterehoogtes, niet voldoende betrouwbaar zijn.

• De geteste zonnepanelen zijn duidelijk veel efficiënter.

TABEL 3: RESULTATEN TESTPROJECT SMALL WIND TURBINE DEMONSTRATION SITE + PV INSTALLATIESENERGIE WINDTURBINES PV INSTALLATIES

TYPE TOESTEL

Energy BallV100

Energy BallV200

Raum1,5k

Raum3,5k

DoubleTracker

LineaTrovata

N.SolarCarport

VERMOGEN 500 W 2.250 W 1.500 W 3.500 W 2.200 W 2.500 W 3.300 W

DATUMOPSTART

01/01/2010 01/07/2010 01/07/2010 26/08/2010 01/01/2010 01/07/2010 01/07/2010

AANTAL DAGENIN BEDRIJF

267 86 86 29 267 86 86

TOTALEPRODUCTIE

21,4 kWh 27,15 kWh 160,26 kWh 158,38 kWh 2.593,86 kWh 871,46 kWh 1.284,75

JAARLIJKSEPRODUCTIE

29,25 kWh 115,23 kWh 680,17 kWh 1.993,40 kWh 3.545,91 kWh 3.698,64 kWh 5.452,72 kWh

Opmerking 1: De hier vermelde cijfers dateren van 24/09/2010 (10u30); Opmerking 2: De cijfers bij jaarlijkse productie zijn geëxtrapoleerde waarden;Opmerking 3: De gemiddelde opgemeten windsnelheid op 15m hoogte tussen juni en september 2010 bedroeg 4,178 m/s; Bron: http://tools.power-link.be/monitoring

Dit scherm visualiseert de totale en actuele energieopbrengst van de windturbines, deactuele en gemiddelde windsnelheden en de actuele en gemiddelde windrichting op hettestveld 'Small Wind Turbine Demonstration Site' in het Wetenschapspark te Oostende

ENERGIE

volgt die de derdemachtsvergelijkingvrij sterk benadert (voor nadere uitleghieromtrent, zie het kaderstukje op detweede pagina van dit artikel).Wanneer de windsnelheid lager ligtdan 5 m/s wordt er nauwelijksvermogen opgewekt. Dit laatstevestigt onze aandacht op het feit dater naast het maximale vermogen vande generator en de windsnelheid,nog andere factoren zijn die eeninvloed hebben op het gegenereerdevermogen. Heel belangrijk in ditverband is dat een turbine eenbepaalde startsnelheid of 'cut-inspeed' heeft, waarbij de windsnelheidhoog genoeg is om alle mechanischeverliezen, eigen aan de turbine; teoverwinnen. Is de windsnelheid lagerdan dit kritieke punt dan ligt deturbine stil en wordt ervanzelfsprekend geen energieopgewekt. In het voorbeeld van deSkystream (zie figuur 2) zien wedat dit kritieke punt ergens dichtbij de3 m/s ligt. Een lage lage cut-insnelheid is erg belangrijk, zeker bijkleine windturbines die door hunbeperkte hoogte minder van hogerewindsnelheden kunnen genieten.

Gemiddelde windsnelheidEen gevaarlijke redenering zou nu zijnom te gaan kijken wat de gemiddeldewindsnelheid is op de site waar dekleine windturbine zal wordeningeplant en vervolgens dit getal tegaan vermenigvuldigen met het

gegenereerde vermogen voor diebepaalde windsnelheid.Zo zou men kunnen denken dat opeen site waar de gemiddeldewindsnelheid ca. 6 m/s bedraagt deSkystream een totale jaarlijkse outputvan ca. 2628 kWh zal opleveren(ca. 0,30 kW vermenigvuldigd methet aantal uren in een jaar: 8760).Deze redenering klopt echter niet omeen aantal voor de hand liggenderedenen:• Bij het berekenen van de

gemiddelde windsnelheid wordtook het (betrekkelijk groot) aantaluren waarbij de windsnelheid lagerligt dan 3 m/s, betrokken; bij dezewindsnelheden draait de turbineechter niet;

• Bij hogere windsnelhedenplafonneert het maximaalgegeneerd vermogen van te turbine;

• Bij erg hoge windsnelheden wordtde turbine om veiligheidsredenenzelfs volledig uitgeschakeld.

Omwille van deze redenen is degemiddelde windsnelheid geennuttige waarde om de jaarlijkseopbrengst accuraat te gaanvoorspellen.

WindverdelingsdiagramOm wel tot een realistischevoorspelling te komen, moeten weuitgaan van het zogenaamdewindverdelingsdiagram (zie figuur 3). Dit diagram laat zienhoeveel uren per jaar er een

bepaalde windsnelheid opgemetenwerd. Merk op: bij het bestuderenvan dit diagram valt op datgedurende een groot aantal uren perjaar (zo'n 2000 uur van de 8700 uurdat er een bepaalde windsnelheidwerd waargenomen, of zo'n 22 %van de tijd) een zeer lagewindsnelheid (1, 2 of 3 m/s)genoteerd werd. We kunnen dusstellen dat de meeste types kleinewindturbines gedurende minimaalzo'n 22 % van de tijd zullen stilliggen,omdat er niet genoeg wind is.

Correcte berekeningAls we de vermogenscurve(figuur 2) van de turbinevermenigvuldigen met hetwindhistogram (figuur 3) danbekomen we de correcte jaarlijkseenergieproductie (figuur 4) die dedesbetreffende turbine op despecifieke site zal genereren.Wanneer we de vermogenscurve vande Skystream (figuur 2) verrekenenmet het windverdelingsdiagram infiguur 3, dan bekomen we eenopbrengst van ongeveer 2250 kWhper jaar. Het verschil met deberekening a.d.h.v. de gemiddeldewindsnelheid (eveneens berekend uithet windverdelingsdiagram infiguur 3) bedraagt ongeveer378 kWh, toch een niet te onder-schatten hoeveelheid energie. Hetaandeel lage windsnelheden (en duslagere vermogensproductie) mag dusniet onderschat worden tegenover dehogere windsnelheden. Aan eencorrecte schatting gaat dus steeds eenmeetcampagne vooraf om het wind-snelheidsdiagram (ook wel wind-histogram genaamd) te bepalen.

'MEXICAN STAND-OFF'Een 'Mexican Stand-off' is een begripuit de filmwereld waarmee men eenpatstelling wil aanduiden waarin driemensen met getrokken revolverstegenover elkaar staan. Niemanddurft echter schieten uit vrees zelfneergeschoten te worden. Dit beeld ismin of meer ook van toepassing opde markt van de kleinschaligewindturbines. De producenten zijnover het algemeen kleine, innovatieve

bedrijven die betrekkelijk weinigcenten hebben om onderzoek te doennaar technische verbeteringen. Eenmooi voorbeeld hiervan is dat velekleine windturbines werken metinverters die oorspronkelijk ontwikkeldzijn voor pv-panelen, terwijl op maatvan de windturbines gemaakteinverters het rendement aanzienlijkzouden kunnen verhogen. Ookbeschikken veel fabrikanten nog nietover een eigen windtunnel waarmeeze de efficiëntie van de rotorbladenverder zouden kunnen optimaliseren.Door dit relatief gebrek aan tot op hetbot onderzochte en getestetechnologie, blijven de kleinewindturbines vooralsnog wat onder deverwachtingen scoren. Hierdoor zijnde particulieren nog zeerterughoudend om zich zo'n turbineaan te schaffen, wat op zijn beurtbetekent dat de fabrikanten weinigcenten binnenkrijgen en dus weiniggeld overhouden voor innovatie. Ookde betrokken overheden zijn ergsceptisch en treuzelen bijgevolg nogwat met hun vergunningsbeleid.Zolang iedereen de kat uit de boomkijkt, zal de ontwikkeling van ditinteressant product steeds geremdblijven verlopen. Gelukkig zijn ervanuit de wetenschappelijke wereld(cf. het project van Power-Link in hetWetenschapspark te Oostende) meeren meer initiatieven om dezepatstelling te doorbreken endoorgedreven technologischeontwikkeling mogelijk te maken.

Bron voor stukjes 'Berekeningrotorrendement' en 'Correcte inschatting

jaarlijkse productie': Joannes Laveyne,'Mulitfunctionele data-acquisitie voordecentrale energieproductie, casus

veldlaboratorium windturbines' (2010) Met dank aan Power-Link UGent,

ing. J. Laveyne en dr. ir. Bert Renders

Figuur 2: Vermogenscurve van een Skystream met een piekvermogen van 2,4 kW;men ziet duidelijk dat de turbine pas echt elektriciteit begint op te wekken wanneer dewindsnelheid hoger ligt dan 5 m/s (Bron: J. Laveyne 2010)

Ver

moge

n (k

W)

Windsnelheid

mphm/s

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

0

200

400

600

800

1000

1200

Windverdelingsdiagram

Windsnelheid (m/s)

Aa

nta

l ure

n p

er

jaa

r

Figuur 3: Verdeling van de windsnelheden op een bepaalde site. Merk op dat lagerewindsnelheden veel voorkomender zijn dan hogere windsnelheden; dit inzicht is zeerbelangrijk bij het correct inschatten van de jaarlijkse opbrengst (Bron: J. Laveyne 2010)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

0

200

400

600

800

1000

1200

Jaarlijkse opbrengst i.f.v. het windhistogram

Windsnelheid (m/s)

Energ

iep

rod

uct

ie (

KW

h/j

aa

r)

Aa

nta

l uur

per

jaa

r

Figuur 4: Wanneer men de vermogenscurve (figuur 2) vermenigvuldigt met hetwindhistogram (figuur 3) bekomt men voor iedere windsnelheid de totale productie;(Bron: J. Laveyne 2010)

KLEINEWINDTURBINES

Deel 1: Vergunnings-problematiek

(Elektricien nr. 4)Deel 2: Opbouw(Elektricien nr. 5)

Deel 3: Opbrengst- enrendementsproblematiek

(Elektricien nr. 6)