Wind-turbine wake effects on the rate of accumulation of fatigue damage in overhead conductors

Windtunnelexperimenten waarbij gebruik wordt gemaakt van gedistribueerde glasvezelsensoren onthullen dat onder beboste atmosferische omstandigheden bovengrondse geleiders die zich onder of gedeeltelijk buiten het zog van een windturbine bevinden, mogelijk minder of beheersbare vermoeidheidsschade ervaren, wat suggereert dat de huidige Britse veiligheidsrichtlijn van het handhaven van een scheiding van drie rotor-diameters potentieel verlaagd kan worden.

De kern

Stel je een gigantische, onzichtbare rivier van lucht voor die over het platteland stroomt. Soms is deze rivier rustig; andere keren is hij onrustig en wild. Stel je nu een windturbine voor die in deze rivier staat. Terwijl de turbine draait om de wind op te vangen, laat hij een "zog" achter — een turbulente, kolkende spoor van verstoorde lucht, vergelijkbaar met het kielzog dat een boot achterlaat in het water.

De vraag die dit onderzoek stelt is: Wat gebeurt er met de hoogspanningskabels (bovengrondse geleiders) die door dit turbulente zog lopen?

In het VK zeggen de huidige veiligheidsregels dat hoogspanningskabels minstens drie keer de breedte van de bladen van een windturbine verwijderd moeten zijn van de turbine. De angst is dat de onrustige lucht in het zog de kabels zo heftig zal laten schudden dat ze uiteindelijk zullen breken door metaalmoeheid, zoals een paperclip die te vaak heen en weer wordt gebogen.

Echter, tot nu toe heeft niemand een gedetailleerd, hoogtechnologisch experiment uitgevoerd om te zien of deze regel gebaseerd is op fysica of slechts op een gok. Dit artikel beschrijft dat experiment.

Het Experiment: Een Miniatuurwereld

De onderzoekers bouwden een verkleinde versie van de wereld in een windtunnel aan het Imperial College London.

• De Windturbine: Ze gebruikten een geschaald model van een echte turbine.
• De Hoogspanningskabel: In plaats van een zware stalen kabel gebruikten ze een flexibele rubberen kabel (EPDM) die zich vergelijkbaar gedraagt als een echte draad wanneer deze trilt.
• De "Ogen": Om precies te zien hoe de kabel schudde, plakten ze een speciale glasvezeldraad langs de gehele lengte ervan. Deze draad werkt als een supergevoelig zenuwstelsel dat elke kleine rek en spanning op duizenden punten langs de draad voelt.

Ze testten de kabel op verschillende hoogtes en op verschillende afstanden achter de turbine (1,5, 2, 3 en 4 keer de breedte van de turbine). Ze hielden de windsnelheid constant, wat een winderige dag simuleerde.

De Verrassende Bevindingen

1. De "Klem" is het Zwakke Punt
Net zoals een gitaarsnaar het meest onder spanning staat waar hij bij de brug is vastgebonden, staat de hoogspanningskabel het meest onder spanning op de plek waar hij direct aan de mast is geklemd. De onderzoekers ontdekten dat dit de kritieke plek is waar de draad het meest waarschijnlijk zal breken.

2. Het Zog Maakt het Niet Altijd Erger
Je zou verwachten dat het turbulente zog de draad altijd harder laat schudden. Maar de resultaten waren meer als een spelletje "Goldilocks" (het kwestie van de juiste maat):

• Hoog (Nabij het midden van de turbine): Wanneer de draad hoog was, direct in het midden van het zog, zorgde de turbulentie er wel voor dat de trillingen toenamen. Dit is het "slechte" scenario waarbij metaalmoeheid sneller optreedt.
• Laag (Nabij de grond): Wanneer de draad lager was, dichter bij de grond, maakte het zog de situatie zelfs minder gevaarlijk. De onderzoekers geloven dat de grond werkt als een muur die de lucht tussen de grond en het zog "samendrukt". Dit creëert een snellere, gladdere luchtstroom die de draad eigenlijk rustiger maakt vergeleken met de wilde, onbelemmerde wind.
• Het "Sweet Spot": De meest gevaarlijke plek was niet noodzakelijkerwijs de kortste afstand. Voor draden op bepaalde hoogtes veroorzaakte een afstand van twee turbinebreedtes de meeste trillingen en schade.

3. De "3-Afstand"-regel is Misschien Te Conservatief
De huidige Britse regel zegt: "blijf 3 breedtes afstand houden." De studie suggereert dat deze regel misschien te streng is voor draden die lager bij de grond liggen.

• Als een draad laag is, kan het zijn dat dichterbij zijn dan 3 breedtes (zoals 1,5 of 2 breedtes) eigenlijk veiliger is dan verder weg, omdat de draad dan niet volledig in het ergste deel van het zog ligt.
• De "3-breedtes"-grens is geen magische lijn waar gevaar plotseling verschijnt of verdwijnt. Het gevaar hangt volledig af van hoe hoog de draad is en hoe diep hij in het zog ligt.

De Grote Analogie

Denk aan het zog van de windturbine als een rommelige, kolkende dansvloer.

• Als je midden op de dansvloer staat (hoge draad), word je veel gestoten en geduwd, en kun je snel vermoeid raken (metaalmoeheid).
• Als je aan de rand van de kamer staat, bij de muur (lage draad), kunnen de dansers (de wind) je zelfs wegduwen van de chaos, of de muur kan de ergste botsingen blokkeren. In sommige gevallen is staan dichter bij de muur veiliger dan verder uit in de open ruimte staan.

De Conclusie

Het artikel concludeert dat de "one-size-fits-all"-regel om 3 turbinebreedtes afstand te houden, niet noodzakelijk is voor alle hoogspanningskabels. Als de draad laag bij de grond hangt, kan het veilig zijn om de kabel dichter bij de turbine te bouwen zonder de angst dat deze breekt door windmoeheid. De sleutel is het begrijpen dat de wind zich niet op elke hoogte op dezelfde manier gedraagt.

Kortom: Het zog van een windturbine is een complex, kolkend proces. Soms laat het de hoogspanningskabels harder schudden, maar soms — vooral voor kabels die dichter bij de grond liggen — laat het ze juist minder hard schudden. De oude regel van "houd afstand" is voor sommige kabels wellicht veiliger dan nodig is, wat potentieel ruimte en geld kan besparen voor nieuwe energieprojecten.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Effecten van windturbine-wakes op de snelheid van vermoeidheidsschadeaccumulatie in bovengrondse geleiders

Probleemstelling
De wereldwijde transitie naar netto-nul emissies drijft een gelijktijdige expansie van onshore windenergieopwekking en de constructie van nieuwe bovengrondse transmissielijnen (OHLs) aan. Deze convergentie vereist de co-locatie van windturbines en bovengrondse geleiders (OHCs). Huidige richtlijnen met betrekking tot de minimale veilige scheidingsafstand tussen deze activa variëren aanzienlijk per jurisdictie; bijvoorbeeld adviseert het Verenigd Koninkrijk een minimale afstand van drie rotordiameters (3D) om door wake-geïnduceerde vermoeidheid te beperken, terwijl andere landen andere of geen specifieke aerodynamische richtlijnen bieden. Ondanks de economische implicaties van het afdwingen van deze afstanden, blijft de fysieke basis voor de 3D-aanbeveling grotendeels onverifieerd door hoogwaardige experimentele gegevens. Eerdere studies vertrouwden op grove modellering of beperkte veldmetingen met grote onzekerheden, en concludeerden vaak dat wake-effecten op vermoeidheid minimaal zijn, maar faalden in het oplossen van de concurrerende mechanismen van wake-snelheidsdeficiënties en verhoogde turbulentintensiteit.

Methodologie
Om dit gat te dichten, voerden de auteurs hoogwaardige windtunnelexperimenten uit aan Imperial College London, ontworpen om de interactie tussen een windturbine-wake en een OHC te simuleren in bosrijke atmosferische omstandigheden.

• Experimentele Opstelling: Een geschaald windturbinemodel (rotor diameter $D = 500$ mm) werd stroomopwaarts van een geïnstrumenteerde geleidermodell geplaatst. De opstelling simuleerde de Gordon Bush windfarm in Schotland, waarbij het bosrijke terrein werd gereproduceerd met Counihan-type spires, een hekwerk en op het oppervlak gemonteerde kubusruwheid om een Hellmann-exponent van $\alpha = 0.22$ te bereiken.
• Schaling en Parameters: De experimenten behielden geometrische gelijkenis voor de turbine-geleider scheiding ($x_C$) en geleiderhoogte ($H$) ten opzichte van de turbinediameter. Drie geleiderhoogtes werden getest ($H/D \in \{0.25, 0.475, 0.925\}$), en vier scheidingsafstanden werden geëvalueerd ($x_C/D \in \{1.5, 2, 3, 4\}$), naast een baseline zonder turbine. De invallende windsnelheid op de geleider werd vastgesteld op $7$m s$^{-1}$, een waarde die gekozen is om het bovenste bereik te vertegenwoordigen dat doorgaans verantwoordelijk is voor aeolische vibraties.
• Instrumentatie: Een belangrijke innovatie was het gebruik van gedistribueerde glasvezel rekmeting gebaseerd op Rayleigh-backscattering (RBS). Een optische vezel werd aan de geleider bevestigd, wat ruimtelijk opgeloste rekmetingen leverde met een resolutie van 2,6 mm langs de gehele 1,125 m spanwijdte. Dit maakte het mogelijk om zowel gemiddelde als fluctuerende rekken met hoge ruimtelijke getrouwheid vast te leggen, waarmee de beperkingen van discrete rekstrookjes werden overwonnen.
• Vermoeidheidsanalyse: De rekgegevens werden verwerkt met rainflow-counting om spanningscycli te ontleden. Een relatieve vermoeidheidsmetriek ($D_{rel}$) werd berekend met een machtswetformule ($D_{rel} = \sum n_i (\Delta \sigma_b)^m$) met exponenten $m=1.5$ en $m=2$ om rekening te houden met de onbekende materiaaleigenschappen van het EPDM-rubbermodel, dat werd geselecteerd om het signaal-ruisverhouding te verbeteren terwijl de dynamische gelijkenis behouden bleef.

Belangrijkste Resultaten
De studie leverde kritische bevindingen op met betrekking tot de interactie tussen turbine-wakes en geleidervermoeidheid:

1. Kritieke Reklocatie: De hoogste gemiddelde rekken werden consistent waargenomen in een regio direct naast de geleiderklem ($L_c$), waar de kabel zich gedraagt als een vibrerende vrije balk. Deze regio wordt geïdentificeerd als de meest gevoelige voor vermoeidheidsbreuk.
2. Gemiddelde Rekgedrag: De aanwezigheid van een stroomopwaartse windturbine verhoogde de gemiddelde rek bij de kritieke klemlocatie niet substantieel vergeleken met de baseline zonder turbine. Sterker nog, voor geleiders die volledig in de wake zijn ondergedompeld (nabij de naafhoogte), nam de gemiddelde rek af. Voor lagere geleiderhoogtes veroorzaakte de aanwezigheid van de turbine soms een "persend" effect tussen de wake en de grond, wat de rek bij korte scheidingen ($1.5D$ en $2D$) licht verhoogde, maar deze toenames waren marginaal.
3. Fluctuerende Rek en Aeolische Vibratie: Fluctuerende rekken werden gedomineerd door aeolische vibratie (vortex-geïnduceerde vibratie) in plaats van turbulente buffeting. De turbine-wake verhoogde over het algemeen de amplitude van deze vibraties en verlaagde hun karakteristieke frequentie als gevolg van de wake-snelheidsdeficiëntie.
   • Wanneer de geleider volledig in de wake is ondergedompeld (naafhoogte), nam de fluctuerende rek toe naarmate de turbine verder stroomopwaarts bewoog (wake-herstel), maar bleef deze onder de baseline-niveaus.
   • Voor lagere geleiderhoogtes resulteerden de dichtstbijzijnde scheidingen ($1.5D$ en $2D$) in een lichte toename van de fluctuerende rek, terwijl scheidingen van $3D$ en $4D$ de rekfluctuaties vaak onder de baseline-niveaus brachten.
4. Accumulatie van Vermoeidheidsschade: De cumulatieve vermoeidheidsschade was sterk afhankelijk van de geleiderhoogte en scheiding:
   • Volledig Ondergedompeld (Naafhoogte): De vermoeidheidsschaderatestijgingen traden op wanneer de geleider volledig in de wake was ondergedompeld, waarbij de maximale schade voorkwam bij een scheiding van $2D$.
   • Lagere Hoogtes: In tegenstelling tot de aanname dat nabijheid altijd het risico vergroot, ervoeren lagere geleiderhoogtes een verminderde accumulatie van vermoeidheidsschade wanneer zij dichter bij de turbine werden geplaatst (specifiek bij $1.5D$ en $2D$) vergeleken met de baseline.
   • De 3D-Drempel: De gegevens toonden geen specifieke discontinuïteit of "speciaal" gedrag in de mechanische respons of schadeaccumulatie bij de momenteel in het VK aanbevolen $3D$-scheidingsafstand.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat deze resultaten de eerste fysieke basis bieden, afgeleid van gecontroleerde, hoogwaardige experimenten, om de universaliteit van de huidige 3D-scheidingsrichtlijn uit te dagen. De studie suggereert dat onder bosrijke atmosferische omstandigheden de aanname dat een turbine-wake de vermoeidheidsschade onvermijdelijk versnelt, onjuist is. Specifiek:

• Haalbaarheid van Kleinere Scheidingen: Het artikel concludeert dat geleider-turbine scheidingen kleiner dan de huidige 3D-richtlijn mogelijk zijn, mits de geleider niet volledig in de turbine-wake is ondergedompeld. In dergelijke gevallen kan de wake-snelheidsdeficiëntie de accumulatie van vermoeidheidsschade daadwerkelijk verminderen vergeleken met ongehinderde stroming.
• Contextafhankelijke Risico's: Het risico op vermoeidheidsbreuk is geen eenvoudige functie van afstand, maar wordt sterk gemoduleerd door de hoogte van de geleider ten opzichte van de wake-structuur. De "meest gevaarlijke" locatie werd geïdentificeerd als $2D$ stroomafwaarts voor geleiders die volledig in de turbine-wake zijn ondergedompeld, waarschijnlijk door de afbraak van grootschalige coherente bewegingen (bijv. tip-vortices) in de transitiezone.
• Beperkingen: De auteurs erkennen bescheiden de beperkingen, waaronder het gebruik van een EPDM-rubbermodel (dat verschilt van echte aluminium geleiders qua materiaaleigenschappen) en de frequentieresponslimieten van het RBS-systeem, dat de hoogfrequente vortex-shedding niet kon resolveren maar de dominante natuurlijke frequentiemodi wel kon vastleggen.

Samenvattend betogen zij dat de blinde toepassing van een 3D-veiligheidsmarge mogelijk te conservatief is voor geleiders die zich onder de turbine-naafhoogte bevinden, wat potentieel meer ruimte biedt voor een efficiënter landgebruik bij de ontwikkeling van hernieuwbare energie-infrastructuur.