Krachtige luchtstromingen in de lagere atmosfeer, de zogenaamde ‘low-level jets’ hebben invloed op de prestaties van windmolenparken. De hoogte waarop dit effect plaatsvindt, maakt het verschil: stroomt het op het niveau van de windturbine, erboven of eronder? Die hoogte bepaalt of alle molens in het park van de stroming kunnen profiteren, of alleen de turbines op de eerste rij. Dit laten onderzoekers van de Universiteit Twente zien in het Journal of Renewable and Sustainable Energy.
Windmolens, verantwoordelijk voor een groeiend aandeel in onze ‘energy mix’, zijn steeds verder de hoogte in gegaan. Waren vroege generaties windmolens niet veel hoger dan 50 meter, de nieuwste generatie haalt al een totale hoogte van meer dan 250 meter, met rotorbladen van meer dan 100 meter. Dit betekent dat effecten in atmosferische grenslagen, die typisch optreden tussen 50 en 1000 meter hoogte, een rol gaan spelen. Bij kleinere windmolens, spelen die effecten zich bóven de molen af, maar bij de huidige formaten kunnen ze zich ook voordoen op het niveau van de turbine of zelfs daaronder. Het gaat daarbij om windeffecten die bekend staan als low-level jets (LLJ’s), een soort rivieren van lucht. Die treden overal ter wereld op, en zeker ook in het Noordzeegebied, waar veel windparken worden gebouwd.
De onderzoekers hebben simulaties uitgevoerd op een windmolenpark van 40 molens, gerangschikt als vier bij tien, om het effect van LLJ’s te verkennen. Van zo’n park is al wel bekend dat het ‘zog’ van iedere molen invloed heeft op de volgende in de rij. Dit zog blijkt nu ook een aanzuigende uitwerking te hebben op de stroming van een jet.
EXTRA ENERGIE oogsten
Stroomt de jet in de richting van het park, ter hoogte van de windturbine, dan profiteert alleen de eerste rij molens ervan, zo blijkt uit het onderzoek. Stroomt de jet bovenlangs, dan treedt een aanzuigende werking op dankzij de turbulente stroming achter elke molen. Het hele park ‘oogst’ dan extra energie vanuit de jet. Een nieuw ontdekt fenomeen is dat als de jet onder de turbines doorstroomt dat de zogenaamde negatieve ‘wind shear’ ervoor zorgt dat de jet naar boven wordt geduwd. Het mooie hiervan is dat turbines verderop in het windpark meer energie kunnen produceren.
Drie situaties. In de bovenste figuur bevindt de jet zich boven het windpark. Doordat hij naar beneden wordt getrokken, profiteren de turbines verderop ook. In de middelste figuur, met de jet op turbine-hoogte, profiteert alleen de eerste rij. De onderste figuur laat voor het eerst het fenomeen zien dat de jet, onder de windturbine, naar boven wordt geduwd door de interactie van het zog van de turbines (blauw) en de windschering. De turbines verderop in het park profiteren ervan.
Land-zee overgang
Deze nieuwe inzichten kunnen helpen bij het ontwerp van de molens en de plaatsing en onderlinge opstelling van de parken. Daarbij spelen nog meer effecten een rol, stellen de onderzoekers, zoals de land-zee overgang en verschillende temperatuursinvloeden.
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Physics of Fluids van de Universiteit Twente. Het maakt deel uit van het programma ‘Computational Sciences for Energy Research’ van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en Shell.
Het paper ‘Effect of low-level jet height on windfarm production’, door Srinidhi Gadde en Richard Stevens, is gepubliceerd in Journal of Renewable and Sustainable Energy (JRSE), uitgave van het American Institute of Physics.
