Gaan groen – met wind, son of albei

Die gebruik van wind­energie is niks nuuts nie. In Persië­ is windmeulens reeds teen 250 v.C. opgerig en in Europa word dit al sedert die 11de eeu gebruik.

So het Nederland in die 17de eeu die mees geïndustrialiseerde land in Europa geword weens die gebruik van windenergie. Daar word bereken dat hierdie land in 1750 reeds nagenoeg 8 000 windmeulens gehad het.

Later is windenergie ingespan om elektrisiteit te genereer deur windlaaiers te gebruik om batterye te laai. Teen 1950 het die VSA al sowat 50 000 klein windlaaiers in bedryf gehad. Groot windge­nerators is in lande soos Denemarke, Rusland en die VSA gebou.

In Suid-Afrika beoog die regering om teen 2030 ’n bykomende 14,4 gigawatt (gW) windenergie by die netwerk te voeg om die totale windkapasiteit tot 17,7 gW of 17,8% van die nasionale kragnetwerk te verhoog, berig Green Economy Journal.

Onderskei
Chris Lombard, energiestrateeg en besturende direkteur van Motla Raadgewende Ingenieurs, sê dit is belangrik om eerstens tussen die nasionale elektrisiteitsnetwerk en verbruikersvlak te onderskei.

“Op nasionale vlak maak windkrag sin, aangesien dit met die hernubare-energiebalans help wanneer die nasionale netwerk weens slegte weer of gedurende die nag swaar trek. Verder kan windkragturbines geografies op die plekke met die meeste windpotensiaal opgerig word.”

Dit is egter die kleiner projekte wat op privaat eiendom – in besonder plase – opgerig word en alleen of saam met sonenergie vir kragopwekking gebruik word, wat in hierdie artikel bespreek word. Nicolaas Faure van Schalkwyk, elektriese ingenieur en energiekenner, sê heelwat navorsing en eksperimente word tans gedoen om kleinskaalse windturbine-oplossings te ontwikkel.

Die Turbex-groep het in samewerking met wetenskaplikes van die universiteite van Noordwes en Kaapstad ’n windturbine ontwikkel wat as een van die mees gevorderde in sy klas beskou word.

Son en wind
Deur wind- en sonenergie te kombineer, kan produsente die voordele van beide tipes energie benut en ’n meer betroubare, stabiele en volhoubare energie-oplossing skep. Die son is ’n betroubare energiebron, maar dit skyn ongelukkig nie altyd nie. Daarteen­oor is wind minder betroubaar en dit waai ook nie altyd nie, maar dit kan eksponensieel ’n veel sterker bron van energie wees.

Volgens kenners by die Turbex-groep is dit algemeen dat die wind waai wanneer die son nie skyn nie.

Hier is enkele redes waarom dit gebeur.

• Dag-en-nagsiklus: Die son verhit deur die dag die aardoppervlak wat lug laat warm word en styg. Die proses trek weer kouer lug van die see of hoërliggende gebiede na die land. Dit staan as seebriese bekend. Hierdie aktiwiteite kan sterk winde teweegbring, maar dit is meer lokaal. Gedurende die nag, wanneer die son nie skyn nie en die aardoppervlak afkoel, vind ’n omgekeerde proses plaas waar die land vinniger as die see afkoel en landbriese veroorsaak.
• Seisoenale variasies: Daar is heelwat gebiede waar die wind sterker gedurende die wintermaande waai (wanneer die son minder intens is). Die temperatuurverskille tussen land en water of tussen hoër en laer liggings is groter en dit veroorsaak sterker winde.
• Geografiese faktore: Geografiese eienskappe soos bergreekse kan die beweging van lugmassas beïnvloed. Gedurende die dag wanneer die son se invloed verminder, kan die tempera­tuurverskille in bergagtige dele sterker winde veroorsaak.
• Atmosferiese toestande: Gedurende die nag is atmosferiese toestande dikwels meer stabiel en kan winde wat op hoër hoogtes waai na die aardoppervlak beweeg. Hierdie tipe wind wat as ’n nagtelike straalstroom (nocturnal jet) bekendstaan, kan gedurende die nag sterker wees.

Die samevoeging van al die genoemde faktore beteken dat die wind dikwels sterker in die afwesigheid van son waai, veral gedurende die nag en kouer maande. Dit maak die kombinasie van wind- en sonenergie besonder doeltreffend, aangesien die twee energiebronne mekaar aanvul en meer konstante en betroubare energievoorsiening kan verseker.

Hoewel die kombinasie van son- en windenergie vele voordele inhou (Tabel 1), meen Lourens de Jongh, besturende direkteur van Orka Solar in Potchefstroom, dat dit nie oral ewe doeltreffend werk nie. Hy sê wanneer sy maatskappy navrae van produsente in die binneland kry wat windstelsels wil installeer, doen hulle eers ’n gevallestudie. In die meeste gevalle blyk wind dan ’n duur sisteem te wees wanneer dit met die terugbetaalperiode en installering van sonpanele vergelyk word.

Volgens De Jongh is wind duur teenoor son. Aangesien die wind nie noodwendig elke dag waai nie, maak dit die kapitale uitleg op windstelsels hoog. Hy raai aan dat produsente in die binneland eerder sonstelsels gekoppel aan (meer en tegnologies gevorderde) batterye installeer.

André Fourie, ’n visionêre tegnopreneur en hoof- uitvoe­rende beampte van Energetica Global, sê tegnologie betreffende batterye het ver gekom oor die laaste tien jaar. “Die nuwe superkapasiteitstoring is sowat 30% meer doeltreffend, daar is nie meer degenerasie op die batterye nie en die temperature is ook ’n beter raamwerk as bestaande battery-oplossings.”

Van Schalkwyk merk ook tereg op dat dit belangrik is om te aanvaar dat “wind nie vir almal is nie”.

Mike Purves, elektriese ingenieur en direkteur van Purmic Solutions wat tans by ’n gW-skaal-wind-en-sonkragprojek naby Lüderitz in Namibië betrokke is, meen ’n kombinasie van son- en windstelsels kan vir megaprodusente goed werk, maar vir kleiner produsente raai hy ’n sonstelsel met gekoppelde batterye aan. By hierdie aanleg in Namibië sal ook waterstof en ammoniak geproduseer word wat as gestoorde energie na veral Europa uitgevoer sal word.

Windbron
Om windenergie doeltreffend te gebruik, moet die windsnelheid oor die algemeen binne die volgende reekse wees:

• Beginspoed: Die minimum windsnelheid waarteen ‘n wind­turbine begin om krag op te wek, is gewoonlik ongeveer 3 tot 4 meter per sekonde (m/s) of sowat 11 km/h tot 14 km/h.
• Geleë spoed: Dit is die windsnelheid waarteen die windturbine sy maksimum gegradeerde krag opwek, gewoonlik ongeveer 12 m/s tot 15 m/s of 43 km/h tot 54 km/h.
• Stopspoed: Die maksimum windsnelheid waarteen ‘n windturbine ontwerp is om veilig te werk, is gewoonlik ongeveer 25 m/s of 90 km/h. Bo hierdie spoed sal die turbine afskakel om skade te voorkom.

Gebiede gunstig vir windturbines
Die volgende gebiede in Suid-Afrika is gunstig vir die oprigting van windturbines. Windspoed en -konstantheid is veral faktore wat geskiktheid bepaal.

• Wes-Kaap, insluitend Kaapstad, Saldanha en die omlig­gende kusstreke
• Overberg, veral gebiede om Caledon en Hermanus
• Oos-Kaap, veral by die Nelson Mandela Metropolitaanse Munisipaliteit en gebiede by Jeffreysbaai en Tsitsikamma
• Noord-Kaap, veral in die Karoo Hoogland-gebiede, insluitend De Aar en Victoria-Wes
• Oos-Vrystaat, streke soos Harrismith en Bethlehem
• KwaZulu-Natal, veral in die middellande, maar dit is min­der konstant as in die Oos- en Wes-Kaap

Koste
Die koste van ’n klein windstelsel kan wissel afhangende van verskeie faktore, insluitend die grootte daarvan, die tipe toerusting, installasiekoste en die spesifieke ligging. Hier is ’n aanduiding van die koste wat betrokke kan wees.

Toerustingkoste: Dit sluit die turbine en die toring of mas in. ’n Klein windturbine, geskik vir residensiële gebruik, kos tussen R40 000 en R300 000, afhangende van die kapasiteit wat tussen 1 kW en 10 kW kan wissel. Die mas of toring kan tussen R10 000 en R50 000 kos, afhangende van die hoogte en die materiaal wat daarvoor gebruik word.

Installasiekoste: Dit kan tans tussen R20 000 en R100 000 beloop, afhangende van die ingewikkeldheid van die installasie en behoef­te aan bykomende infrastruktuur, soos fondasies of verbinding aan die kragnetwerk.

’n Onlangse installasie van ’n 3 kW-windlaaier op ’n 12 m hoë toring (turbine, kontroleerder, toring en installasiekoste ingesluit) deur die Turbex-groep het R163 000 beloop.

Volgens De Jongh hang die prys van ’n 10 kW-sonstelsel af van die gehalte van die produk wat geïnstalleer word. Die topproduk, gekoppel aan ’n 10 kW-battery en 8 kW se sonpanele, sal sowat R240 000 kos. Die koste van installasie en die sertifikaat van voldoening (COC) is hierby ingesluit.

De Jongh raai aan dat bogenoemde koste met die kapitale uitlegkoste van windstelsels asook die byvoeging van meer sonpanele vergelyk word om ’n ingeligte besluit te neem. Hy waarsku voorts dat daar “kansvatters is wat hul pryse drasties kan sny deur die installasie nie op standaard te doen nie”.

Diens en onderhoud
Diens en onderhoud aan sonpanele is minimaal. Kenners raai slegs aan dat dit in stowwerige gebiede gereeld skoongemaak word om die doeltreffende werking daarvan te verhoog.

Daarteenoor is dit nodig om ’n klein windlaaier elke maand visueel te inspekteer en sowat elke ses maande (afhangende van die mo­del en vervaardiger se aanbevelings) omvattend te laat inspekteer en diens. Reëlmatige en deeglike instandhouding verseker dat die windlaaier betroubaar en doeltreffend bly funksioneer en help ook om die totale lewenskoste van die stelsel te verlaag deur groot herstelwerk of vervanging van komponente te voorkom. Dit sluit die volgende take in:

• Lemme en draaivlerke: Let op na enige tekens van skade, sly­tasie of vuilheid wat prestasie kan beïnvloed. Verwyder enige vuilheid of puin.
• Maste en steunstelsels: Kyk uit vir korrosie en maak seker dat al die boute en moere stewig vas is.
• Bedrading en elektriese komponente: Gaan na vir be­skadigde drade, los verbindings en tekens van oorverhitting.
• Smeer van bewegende dele: Sommige windlaaiers het laers wat gesmeer moet word. Raadpleeg die vervaardiger se handleiding vir spesifieke aanbevelings.
• Kontroleer die remstelsel: Maak seker dat die noodrem funksioneer en nie enige tekens van slytasie toon nie. Toets die rem op ’n gereelde basis om seker te maak dat dit doeltreffend werk.
• Kontroleer elektriese stelsel: Gaan al die elektriese komponente van die omsetters (inverters) en kontroleerders na om te bepaal of dit in ’n goeie werkende toestand is en nie tekens van foutiewe werking toon nie. Indien daar batterye in die stelsel is, kontroleer die toestand daarvan en maak seker dat dit skoon en korrosievry is. Toets ook die laaivlakke daarvan.
• Kontroleer lemme: Maak seker dat die lemme goed gebalanseerd en uitgelê is. Ongebalanseerde lemme kan vibrasies en bykomende slytasie tot gevolg hê. Verwyder enige vuilheid, stof en puin van die lemme om doeltreffende werking te verseker.
• Kontroleer mas en struktuur: Maak seker dat die mas stabiel en veilig is en dat daar geen strukturele skade is nie. Inspekteer ook die ankerpunte en kabels vir tekens van losheid en slytasie.
• Toets en kalibreer sensors en moniteringstelsels: Maak seker dat enige sensors en moniteringstoerusting wat die werking van die windlaaier beheer, behoorlik funksioneer en akku­raat is.

Windatlas
Die Windatlas vir Suid-Afrika (WASA) is ’n projek deur verskeie rolspelers, waaronder die Suid-Afrikaanse Weer­diens, die Universiteit van Kaapstad en ’n Deense navorsingsinstituut, waar die windbronne in die land op ’n kaart ingedeel word om grootskaalse windbenutting te bevorder. Hierdie atlas is vrylik aan alle belanghebbendes beskikbaar. Kry meer inligting by www.wasaproject.info.

Lewensduur
Volgens die Turbex-groep kan die lewensduur van ’n klein windlaaier wissel, maar oor die algemeen hou dit sowat 15 tot 25 jaar. Die volgende faktore kan ’n effek op die lewensduur uitoefen:

• Gehalte van die windlaaier: Dié wat deur betroubare vervaardigers vervaardig is en van hoëgehaltemateriaal gemaak is, sal waarskynlik langer hou.
• Onderhoud en diens: Gereelde en behoorlike instandhouding speel ’n sleutelrol om die lewensduur te verleng. Stelsels wat goed in stand gehou word, sal minder geneig wees om te breek en kan gevolglik langer doeltreffend werk.
• Omgewingsfaktore: Windlaaiers wat in gebiede met ekstreme weerstoestande (soos sterk winde, ys of storms) geïnstalleer is, sal meer slytasie ervaar en dus ’n korter lewensduur hê. So ook kan die teenwoordigheid van sout in kusstreke korrosie versnel wat ook die lewensduur beïnvloed.
• Installasiepraktyke: Professionele en behoorlike installasie is noodsaaklik om te verseker dat die laaier veilig en doeltreffend werk. Foute tydens installasie kan latere probleme veroorsaak wat die lewensduur kan verkort.
• Gebruikspatroon: Die hoeveelheid energie wat die stelsel ge­nereer en die frekwensie waarteen dit gebruik word, kan ook ’n effek op die lewensduur hê. Oorbenutting en konstante maksimum lading kan vinniger tot slytasie lei.
• Tegnologiese vooruitgang: Moderne stelsels met verbeterde tegnologie en materiale kan langer as ou modelle hou.

Die Turbex-groep gee die volgende wenke om die lewensduur te verleng:

• Gereelde onderhoud: Doen gereelde inspeksies en onderhoud soos wat die vervaardiger aanbeveel.
• Onderdele van goeie gehalte: Gebruik vervangingsonderdele van hoë gehalte.
• Professionele installasie: Maak seker dat die stelsel professioneel geïnstalleer en geoptimaliseer is vir die spesifieke omgewing.
• Beskerming teen ekstreme weerstoestande: Waar moontlik, pro­beer om die stelsel teen skadelike weerstoestande te beskerm.

Nuwe ontwikkelings
Volgens die Turbex-groep is daar verskeie pogings in die ontwikkeling van turbinetoerusting. Dit sluit vertikale windturbines en selfs ook turbines sonder lemme in. Hul woordvoerder sê: “Daar is vele benaderings en oorwegings, maar die konvensionele, horisontale, permanente magneetwindlaaier is steeds die effektiefste asook die mees kostedoeltreffend.”

’n Belangrike oorweging by nuwe ontwikkelings is die integrasie met onlangse batterytegnologie (battery management systems). Hierdie tegnologie veroorsaak die noodsaaklikheid van ’n las (weerstand) om weg te val en plaas gevolglik die windlaaier as bewegende energiebron onder buitengewone stremming en be­dryfs­parameters wat op hul beurt die masjiene kan beskadig. Die integrasie van voltbeheer en die smoorklep (throttle) is uiters belang­rik op alle stelsels om die windlaaier en battery teen die afwesigheid van ’n las te beskerm. Hierdie plaaslike ontwikkeling word tans suksesvol op verskeie projekte in die land geïnstalleer.

Nog ’n nuwe ontwikkeling waaraan die Turbex-groep werk, is om die regstreekse terugvoer na boorgatpompe en lewering te bevestig. Hulle sal binnekort ’n oplossing bied waar produsente ou windpompstellasies kan gebruik om boorgate met kleiner windlaaiers toe te rus.

Lombard het Ysland onlangs besoek om hulle hernubare-energiestrategieë na te vors. Volgens hom is dié land bevoorreg om heelwat geotermiese energie te kan benut, omdat warm magma na aan die aardoppervlak voorkom. “Hulle boor letterlik diep gate en onttrek die hitte wat gebruik word om elektrisiteit op te wek. Ongeveer 60% van die elektrisiteitsopwekking daar is geotermies.”

Daar word tans navorsing gedoen om te bepaal of Ysland se strategie nie internasionaal met veel dieper gate toegepas kan word nie, aangesien die aarde se gesmelte kern eintlik die planeet se grootste bron van energie is.

Nuwe ontwikkelings spesifiek aan windturbines
Vertikale as: Hier roteer die lemme loodreg met die grond en vaar beter in inkonsekwente windtoestande.

Herwinbare lemme: Bekostigbaarheid is ’n belangrike aspek van volgendegenerasie-windkrag, daarom word lemme van herwinbare materiaal soos balsahout in plaas van glas en veselglas vervaardig.

Gesegmenteerde lemme: Nog ’n manier om turbinelemme te verbeter, is om dit groter te maak, aangesien langer lemme meer elektrisiteit opwek. Lemme van so lank as 60 m word gebruik, maar dit is duur. Gesegmenteerde lemme kan makliker en goedkoper vervaardig word en dit kan ook makliker vervoer word. Hierdie lemme hou langer en draai meer doeltreffend.

Gekanaliseerde turbines: Kleiner turbines genereer nie soveel krag soos groteres nie, maar is meer doeltreffend as hul grootte-tot-energieverhouding in ag geneem word. Kleiner turbines kan ook van kanale gebruik maak om lugvloei te beperk om sodoende die lemme (sonder hoë winde) vinniger te laat draai.

Radar-vriendelike materiaal: ’n Kwessie wat dikwels oor die hoof gesien word, is dat windturbines met radar inmeng. Dit kan die akkuraatheid van lugverkeerbeheer, weerdienste en verdedigings­operasies beïnvloed, veral noudat windturbines meer algemeen voorkom. Aangesien radarinmenging plaasvind wanneer radiogolwe in die lemme weerkaats, word lemme vervaardig van nanomateriaal wat die seine absorbeer.

Meer inligting is hier beskikbaar
• sawea.org.za
• renewableenergymagazine.com
• windguru.cz
• www.windsystemsmag.com
• solarenergyscout.com
• orkasolar.co.za
• motla.co.za
• fst.com
• turbexwindmills.com
• purmicsolutions.co.za
• Energetica Global – 079 492 7092

Produsent se ervaring
’n Windlaaier gekoppel aan ’n sonstelsel is reeds sowat tien jaar in bedryf op die plaas Reeboksfontein naby Fraserburg in die Noord-Kaap. Die plaas het nie toegang tot die nasionale kragnetwerk nie en die kombinasie van son- en windkrag werk goed. Die ervaring hier is dat die son en wind mekaar besonder goed aanvul. Hier spesifiek is die wind stil deur die dag wanneer die son skyn. Wanneer die son sak, skop die wind in en die eienaars kan dus ’n groot deel van die dag én nag krag opwek. Die pluspunt daarvan om net snags die windlaaier te gebruik, beteken dat dit net die helfte van die tyd loop wat slytasie op die werkende komponente beperk. Die komponente moes wel reeds in die tien jaar alles verwyder en gediens word.