Wprowadzenie do monitoringu prędkości wiatru na potrzeby małych turbin wiatrowych

To ^pierwszy  z serii artykułów, które zamierzam opublikować w ciągu najbliższych miesięcy. Będą one skierowane do osób chcących poszerzyć swoją wiedzę odnośnie turbin wiatrowych i dowiedzieć się jak ten cały biznes się kręci. Cykl rozpocznę od poruszenia tematu małych turbin wiatrowych oraz podstawowych zagadnień, a z biegem czasu stopniowo wprowadzę bardziej techniczne i zaawansowane informacje związane z oceną zasobów energetycznych wiatru, które są źródłem utrzymania specjalistów zajmujących się audytem wietrzności.

Niniejsze artykuły są próbą podsumowania typowych pytań, które otrzymujemy codziennie od naszych klientów. Pod żadnym względem nie staramy się odwieść kogokolwiek od zatrudnienia profesjonalnego analityka ds. energetyki wiatrowej. 

Zanim zainstalujesz małą turbinę wiatrową przy swoim domu lub na farmie, musisz przeanalizować wiele czynników, jednak najistotniejsze aspekty podsumować można w trzech kluczowych punktach:

• Wysokość
• Lokalizacja
• Rozmiar turbiny wiatrowej

 Wysokość

Tutaj sprawa jest prosta, im wyższa wieża turbiny wiatrowej tym lepiej. Duża wysokość wiąże się z mniejszą ilością przeszkód terenowych, a tym samym mniejszą turbulencją i większą prędkością wiatru

(Dane rzeczywiste dostarczone przez Logic Energy Ltd)

Powyżej przedstawiono porównanie dwóch anemometrów umieszczonych na tym samym maszcie, jeden na wysokości 40 metrów, drugi 30 metrów. Pierwsze urządzenie rejestruje średnią prędkość wiatru większą o 1m/s niż te zamontowane niżej.

Lokalizacja

Lokalizacja, lokalizacja, lokalizacja… tak jak na rynku nieruchomości, ten aspekt jest jednym z najważniejszych, podczas rozważania instalacji turbiny wiatrowej. Możemy znaleźć naprawdę wietrzny teren, jednak wybrane przez nas miejsce okaże się nieodpowiednie z powodu przeszkód terenowych, takich jak rzędy drzew, domy, a nawet oddalone miasta. Powoduje to wzrost turbulencji i kilkukrotny spadek prędkości wiatru.

Jak widzimy powyżej, im wyższa wieża turbiny oraz im lepsza lokalizacja, tym mniejsza turbulencja wiatru i bardziej regularny przepływ powietrza.

Rozmiar turbiny wiatrowej

Pomyśl o żaglach na statku, im są większe tym więcej wiatru chwytają, a przez to wytwarzają więcej energii. Pod tym względem turbiny wiatrowe nie wiele się różnią, im większy wirnik tym większy przechwyt wiatru.

Oczywiście, istnieje wiele sposobów ulepszania wydajności poprzez szerokiej gamy rozwiązania techniczne, jednak warto pamiętać o tej sprawdzonej zasadzie.

Ostatnią rzeczą na którą trzeba zwrócić uwagę przy doborze Lokalizacji jest fakt, że na niektórych obszarach występuje zbyt intensywna turbulencja i porywisty wiatr, a czasami nawet za szybki. W takich miejscach nie należy instalować turbiny z dużym wirnikiem, ponieważ mniejsze urządzenia będą w stanie lepiej wykorzystać potencjał energetyczny takiego wiatru.

Twój analityk ds. energetyki wiatrowej lub konsultant z pewnością pomogą Ci dobrać odpowiedni sprzęt na podstawie zgromadzonych danych pomiarowych.

Planowanie projektu dotyczącego monitoringu prędkości wiatru

Znając już trzy kluczowe zasady, możemy zająć się szukaniem idealnego miejsca na naszą turbinę wiatrową. Jednak przed jej montażem niezbędne będzie przeprowadzenie monitoringu wiatru na danym obszarze; im dłużej będzie on trwał, tym lepiej. Można to zrobić w różny sposób, jednak zaleca się używanie profesjonalnych rejestratorów danych, które nie tylko zapiszą parametry wiatru, ale dokonają też obliczeń w czasie rzeczywistym, aby dostarczyć jedynie najpotrzebniejsze informacje do audytu wietrzności.

Kilka rzeczy z którymi należy się zapoznać:

• Średnia i maksymalna prędkość wiatru, standardowe odchylenie prędkości: pomiary wykonywane są zazwyczaj w odstępie 10 minut.
  • Średnia: to przeciętna prędkość wiatru w okresie 10 minut, zazwyczaj mierzona w metrach na sekundę [m/s]
  • Maksymalna: to najwyższa prędkość wiatru w porywach mierzona w 10 minutowych interwałach
  • Standardowe odchylenie: wskazuje na intensywność turbulencji w ciągu 10 minutowego interwału. Musimy się upewnić, że “turbina będzie współpracować z wiatrem, a nie się z nim siłować”
• Kierunek wiatru: należy zaobserwować skąd najczęściej wiele wiatr i z jaką prędkością.
• Maszty MET lub Wind: Wraz z zamontowanymi na nich anemometrami bądź czujnikami, wykorzystywane są przez profesjonalistów. Na maszty nie powinny oddziaływać żadne wibracje ani “chybotania”, ponieważ pływa to na dane zapisywane przez rejestrator. Zazwyczaj na maszcie instaluje się kilka czujników na różnych wysokościach, dzięki czemu gromadzone są bardziej szczegółowe parametry wiatru na danym obszarze. Czynniki, takie jak chropowatość gruntu czy uskoki wiatru, są niezwykle ważne, ale nie należy zapominać też o temperaturze oraz ciśnieniu.
• Uskok wiatru: Parametr obliczany na podstawie pomiarów prędkości wiatru na różnych wysokościach. Dzięki takim pomiarom łatwiej zbadać intensywność turbulencji i jej wpływ na prędkość wiatru przy dużych wysokościach. Ponadto, umożliwiają one ekstrapolacje na wysokościach do których nie sięga wieża turbiny. Inną zaletą dokonywania pomiarów na kilku wysokościach jest posiadanie danych, które pomagają wybrać różnego rodzaju turbiny.

(Przykład średniej i maksymalnej prędkości oraz standardowego odchylenia na LeSENSE, dane dostarczone przez Logic Energy Ltd)

Monitorowanie wiatru, pytania i odpowiedzi

• Jak długo powinno się rejestrować lub monitorować parametry wiatru?
  • Należy poświęcić kilka miesięcy, aby wybór turbiny oparty była na dokładnych informacjach. Monitorowanie powinno trwać co najmniej 6 miesięcy, a najlepiej pełny rok.
• Kiedy już zgromadzimy wszystkie potrzebne dane, co należy z nimi zrobić?
• Najlepiej, aby przeanalizował je specjalista ds. energetyki wiatrowej, szczególnie w przypadku, gdy prędkość wiatru wydaje się rozsądna, a badany teren obiecujący.
• Wyślij je do wybranego dystrybutora turbin, poinformuje Cię jakich uzysków energii możesz oczekiwać od badanego terenu.
• Oblicz średnią prędkość wiatru, da Ci to ogólny pogląd na potencjał wiatrowy Twojej lokalizacji.
  • W przypadku małych turbin wiatrowych, finansowanych prywatnie, pomiary są warte uwagi, gdy przekraczają 4m/s.
  • Jeżeli turbina ma być finansowana przez bank, prędkość wiatru musi zazwyczaj przekraczać 6m/s
• Oblicz rozkład częstotliwości, rozdzielenie prędkości wiatru na kilka sekcji znacząco rozjaśni to profil wiatrowy danego terenu.
  • Kiedy już wiesz, przez ile godzin wiatr wiał z daną prędkością (zazwyczaj w grupach lub przedziałach 1m/s), możesz pomnożyć ten parametr przez krzywą mocy, określaną dla konkretnej turbiny. Wynik końcowy będzie przedstawiał szacowaną ilość produkowanej energii na danym obszarze przez wybraną turbinę.
• Coś poszło nie tak? Skontaktuj się z nami, a my przekierujemy Cię do odpowiedniego specjalisty.

(Frequency distribution chart using LeSENSE, provided by Logic Energy Ltd)

Wyposażenie

• Anemometry, powinny być kalibrowane zgodnie z normami i poświadczone oficjalnym certyfikatem. Z dokładnością lepszą niż 1% i rozdzielczością 0.1m/s. Zaleca się używanie co najmniej dwóch anemometrów.
• Wskaźnik wiatru, najlepsza rozdzielczość 1*
• Rejestrator wiatru lub urządzenie monitorujące:
  • Urządzenie powinno umożliwić przechowywanie danych historycznych i uwzględnić poniższe parametry dotyczące prędkości wiatru:
    • Średnia i maksymalna prędkość oraz standardowe odchylenie prędkości
  • Kierunek wiatru
  • Zaleca się dokonywanie pomiaru temperatury i/lub ciśnienia, wilgotności.
  • Najlepiej wybierać urządzenia z dodatkowymi wejściami na anemometry lub inne czujniki
  • Zasilanie rejestratora danych lub urządzenia monitorującego.
    • Przez krótki okres czasu można używać baterii alkaicznych, jeżeli dane pobierane są dość często
    • Na dłuższy okres czasu lepiej pozyskiwać dane w sposób zdalny (np. za pośrednictwem sieci GSM lub GPRS), a urządzenie zasiać przy pomocy zestawu PhotoVoltaicr

 Bardziej ogólne pytania i odpowiedzi

Po co potrzebny jest rejestrator i dokonywanie pomiarów prędkości wiatru?

Podjęcie decyzji o kupnie turbiny bez uprzedniego zbadania profilu wietrzności terenu jest bardzo ryzykowne. Nieznaczne odchylenia w pomiarach prędkości wiatru, np. o 0.4m/s mogą przekształcić się w straty finansowe rzędu £10,000s na przestrzeni 20-25 lat. Analitycy ds. energetyki wiatrowej oraz banki też zdają sobie z tego sprawę, to żaden sekret, tylko czysta matematyka i odpowiednie dane pomiarowe.

Sprawdziłem bazy danych i moja lokalizacja ma dobrą/złą roczną średnią prędkość wiatru. Czy ta informacja wystarczy, aby podjąć decyzję?

Nie, nie wystarczy. Na miejsce w którym znajduje się turbina wiatrowa oddziałuje wiele elementów krajobrazu. Niekiedy dobra prędkość wiatru w bazach danych nie ma odzwierciedlenia w rzeczywistości ze względu na przeszkody terenowe (drzewa, domy, doliny), a z kolei złe roczne wyniki obszaru mogą zakamuflować naprawdę korzystne miejsce o indywidualnej charakterystyce (np. wysokie wzniesienia)

“Rozkład Weibulla" oraz inne zagadkowe terminy, co się za nimi kryje?

Kiedy posiadasz dane na temat średniej prędkości wiatru oraz profilu wietrzności obszaru, możesz obliczyć wartość stałą, którą wykorzystuje się w algorytmie Rozkładu prawdopodobieństwa Weibulla. Algorytm ten pozwala to na dłuższoterminowe oszacowanie produkcji energii. Kluczowym elementem jest ustalenie parametru stałego, w czym pomogą wykonane pomiary prędkości wiatru oraz obserwacja terenu.

Przykład z wykorzystaniem małej turbiny wiatrowej

Spójrzmy na wykresy, oba przedstawiają parametry tego samego miejsca. Jeden z nich prezentuje prawdopodobieństwo zmienności wiatru na podstawie Rozkładu Weibulla, z parametrem kształtu k=2 (wg. norm branżowych) , natomiast drugi to dane oparte na pomiarach rzeczywistych z urządzenia do monitoringu  LeNETmobile W obu przypadkach średnia prędkość wiatru wynosi 3.5 m/s.

Na poniższym wykresie oś pozioma odnosi się do prędkości wiatru w metrach na sekundę, natomiast oś pionowa prawdopodobieństwo wiatru na prędkość wiatru. W przypadku Real data nie ma żadnych domysłów, tylko dane rzeczywiste!!

Według danych szacunkowych mamy 12% prawdopodobieństwo na wystąpienie wiatru o prędkości 6m/s, jednak dane rzeczywiste mówią jedynie o 6.5%. Na pierwszy rzut oka taka informacja może wydać się niekorzystna, lecz spójrzmy teraz na wyższy parametr końcowy prędkości wiatru: 10m/s, 12m/s, ... to wartości przy których turbiny pracują najlepiej i najbardziej wydajnie!!

Brzmi nieźle, ale jaki to ma stosunek do produkowanej energii?

Z obu zbiorów danych (Real data i Weibull) bierzemy pod uwagę liczbę godzin w których wiatr wiał z różną prędkością. Całkowitą liczbę godzin łączymy z krzywą mocy dostarczoną przez producenta turbiny i otrzymujemy bardzo różne wyniki:

Zgromadzone dane (Real data): 1,492kWh w jeden miesiąc

Dane szacunkowe przy użyciu wzoru Weibull: 1,086kWh w jeden miesiąc

A zatem, widać wyraźną różnicę pomiędzy danymi rzeczywistymi, a zgadywaniem. W tym wypadku wynik okazał się pozytywny, ale co gdyby byłoby odwrotnie? Co, jeżeli szacunkowa produkcja energii okazałaby się większa niż zasoby energetyczne wiatru występującego na danym obszarze? Zdecydowanie o wiele lepiej znać faktyczny potencjał terenu przez zainwestowaniem pieniędzy w turbinę wiatrową.

Ale... 1,500kWh na miesiąc to nie dużo, prawda?

Cóż, to zależy od rozmiaru turbiny wiatrowej oraz zasobów energii wiatrowej dostępnej na danym obszarze. To badanie zostało przeprowadzone z użyciem bardzo małej turbiny.