Wiadomości wstępne
Pomiar wiatru ma na celu dostarczenie informacji o prędkości i kierunkach wiatru. Pomiary te przeprowadzane są przy pomocy skalibrowanych czujników prędkości i kierunku wiatru umieszczonych na maszcie pomiarowym. Oprócz tych podstawowych wielkości rejestruje się wilgotność powietrza, temperaturę oraz ciśnienie, które są potrzebne do wyznaczenia gęstości powietrza oraz wrażliwości lokalizacji na występowanie oblodzeń.
Poprawnie przeprowadzony pomiar kierunku i prędkości wiatru na potrzeby energetyki wiatrowej powinien być zrealizowany na maszcie nie niższym niż 75% wysokości osi wirnika turbiny, na którą projektowana jest farma wiatrowa. Pomiar prędkości wiatru powinien być przeprowadzony na nie mniej niż dwóch wysokościach. Czujniki powinny być odpowiednio usytuowane w stosunku do kierunku wiatru dominującego tak by cień aerodynamiczny wywołany przez konstrukcję masztu miał jak najmniejszy wpływ na błąd oszacowania potencjału wietrznego danej lokalizacji.
Rys.1 Schemat masztu pomiarowego
Alternatywą dla masztów pomiarowych są SODARY (ang. sound detection and ranging). Instrumenty te badają fluktuacje powietrza korzystając z fal dźwiękowych i dzięki dużej rozdzielczości pomiaru pozwalają stworzyć dokładne pionowe profile prędkości wiatru. Dokładność pomiarów z wykorzystaniem tych urządzeń zależy w dużym stopniu od poziomu hałasu w otoczeniu, stabilności atmosfery i turbulencji. Mimo tych wad SODARY umożliwiają prowadzenie szerszych i dokładniejszych pomiarów dla energetyki wiatrowej.
W pomiarach do wyznaczania zdolności energetycznej wiatru standardowo przyjęto średnie 10-minutowe wyniki pomiarów. Pomiar przeprowadzany jest w sposób ciągły, a rejestrowane są wyniki uśrednione (z 10-minutowego okresu pomiarowego). Wynikiem takiego pomiaru są ciągi danych: data, godzina, średnie 10-minutowe dla prędkości i kierunków wiatru, a także wilgotności, temperatury i ciśnienia powietrza.
Rys.2 Histogram prędkości wiatru.
Wiatromierze ręczne
Są urządzeniami do doraźnego pomiaru prędkości wiatru, nie mającymi większego zastosowania w energetyce wiatrowej. Chętnie wykorzystywane w żeglarstwie sportach paralotniowych, czy baloniarstwie. W odnawialnych źródła energii mogą być pomocne w czasie montażu kolektorów dachowych, dla zabezpieczenia bezpiecznych warunków pracy. Wiatromierze tego typu wykonywane są jako elektroniczne ze wskazaniem prędkości wiatru w m/s lub w stopniach Beauforta. Zakres pomiarowy zwykle ograniczony do 30m/s ale są tez jednostki o zakresie do 42 m/s.
4.2 Wiatromierze czaszowe
To popularne urządzenia wykorzystywane w stacjach pogody jako czujniki prędkości wiatru. Składają się najczęściej z trzech obracających się czasz wykonanych z polipropylenu lub z PVC, zamocowanych na wale. Prędkość obrotowa czasz przekazywana jest w sposób liniowy na sygnał analogowy lub pośrednio poprzez czujnik Halla impulsów o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości wiatru. Zakres pomiarowy bardzo duży do 60 m/s, a nawet 100m/s. Wadą rozwiązania jest ograniczona praca w okresie zimowym, kiedy oblodzenie potrafi unieruchomić czasze uniemożliwiając pomiar prędkości wiatru.
4.3 Wiatromierze ultradźwiękowe
Należą do urządzeń nie posiadających części ruchomych, są odporne na wahania temperatur i oblodzenie. Są też bardziej wytrzymałe mechanicznie od modeli czaszowych, dzięki czemu nadają się doskonale do montażu na turbinach wiatrowych. Anemometry ultradźwiękowe mierzą czas potrzebny ultradźwiękowemu impulsowi na przebycie drogi od transducera północnego (N) do transducera południowego (S), i porównuje go z czasem potrzebnym impulsowi na przebycie drogi od południowego (S) do północnego (N) transducera. W identyczny sposób porównywane są czasy miedzy zachodnim (W) i wschodnim (E), a wschodnim (E) i zachodnim (W) transducerem.
Na przykład, jeżeli wieje północny wiatr, wtedy czas potrzebny impulsowi do przebycia drogi od N do S będzie krótszy niż od S do N, gdzie czasy W do E, i E do W będą takie same. Prędkość i kierunek wiatru są następnie obliczane na podstawie czasów każdej z osi. Obliczenia te są niezależne od czynników takich jak temperatura.
Rys. Budowa anemometru ultradźwiękowego WindObserver II firmy GILL. U góry widoczne 4 transducery.
Sodary i lidary
Sodar (ang. Sound Detection and Ranging)
Pomiar prędkości wiatru za pomocą urządzenia typu SODAR opiera swoje działanie na zjawisku fizycznym zwanym efektem Dopplera. Odbiornik ustawiony na ziemi rejestruje sygnał odbity przez zmianę częstotliwości fali dźwiękowej wyemitowanej w przestrzeń. SODAR, za pomocą wbudowanych anten, jest w stanie określić składową poziomą i pionową kierunku wiatru oraz jego prędkość. Starsze typy urządzeń teledetekcyjnych posiadają trzy anteny akustyczne skierowane w różne strony, natomiast nowocześniejsze modele wyposażone są w anteny fazowane.
Zasada działania – Gdy fala akustyczna (dźwięk) – impuls , zostaje wyemitowana w atmosferę i napotka zawirowanie na swojej drodze, jego energia zostaje rozproszona we wszystkich kierunkach. Pomimo faktu, że różne zaburzenia, czy to wynikające z różnić temperatury czy pochodzenia mechanicznego, rozpraszają falę akustyczną w różny sposób , zawsze jakiś fragment energii akustycznej zostaje odbity w kierunku źródła. Taki efekt nazywamy echem atmosferycznym, czyli rozproszeniem wstecznym energii. Obszary rozpraszające dryfują z wiatrem, więc częstotliwość rozproszonej fali wstecznej posiada przesunięcie dopplerowskie. Dzięki temu po określeniu kąta promieni akustycznych i wykorzystaniu związków trygonometrycznych można wyznaczyć wektor wiatru.
Sodar windcollector 2 – to wykorzystanie tak zwanej techniki wieloprzetwornikowej (Phased Array Sodar), gdzie antena to zestaw 64 nieruchomych przetworników wraz z piezoelektrycznymi głośnikami, które odpowiadają za emisje fali akustycznej. Każdy przekaźnik emituje trzy krótkie sekwencyjne dźwięki o różnej częstotliwości oraz określonej długości. Sygnałem głównym jest ten emitowany 24° do pionu, natomiast lustrzanym sygnałem jest ten emitowany pod kątem 19° do pionu w kierunku przeciwnym od głównego, trzecim sygnałem jest sygnał podróżujący pionowo do góry.
Takie rozwiązanie pozwala na wyeliminowanie problemu niewypoziomowania sodaru. Ponieważ, wszystkie sygnały emitowane są w tym samym czasie, oraz dane zbierane są z obu kierunków jednocześnie, błąd w kierunku głównym zostanie zniwelowany przez błąd w kierunku lustrzanym, dzięki czemu zebrane informacje będą dokładne. Takie rozwiązanie nazywa się Scintec Sodar SFAS, a system używa 9 kierunków do emisji sygnału:
– 4 kierunki główne (24°) – N,E,W,S
– 4 kierunki lustrzane (19°) – N,E,W,S
– 1 kierunek pionowy (0°)
W każdym kierunku oprogramowanie analizuje odebrany sygnał odbity w celu zidentyfikowania przesunięcia Dopplera ∆f:
∆f =2V f0 /c
gdzie f0 to częstotliwość wyemitowanego sygnału , V to prędkość obszaru napotkanego przez impuls dźwiękowy, w kierunku wyemitowanego sygnału. Współczynnik 2 wynika z podwójnej drogi jaką musi przebyć sygnał od nadajnika do obszaru badanego i z powrotem. Po uzyskaniu danych ze wszystkich trzech kierunków i zastosowaniu równań trygonometrycznych system jest wstanie uzyskać rzeczywisty wektor prędkości obszaru badanego (wiatru w atmosferze).
Sodary wymagają zasilania energią elektryczną. Przy pomiarach prowadzonych w terenie nieuzbrojonym częstym rozwiązaniem jest system paneli fotowoltaicznych (zdjęcie powyżej). Fale dźwiękowe emitowane przez głośniki mogą być dokuczliwe dla mieszkańców, dlatego pomiar powinien być prowadzony z dala od budynków.
LIDARY
LIDAR jest akronimem od angielskiego określenia LIght Detection And Ranging,, co oznacza wykrywanie i określanie położenia za pomocą światła. W odróżnieniu do sodarów, lidary wysyłają do atmosfery wiązkę światła (współcześnie promień lasera) którego odbicie rejestrowane jest przez urządzenia teledetekcyjne. Zmiana sygnału potrafi określić szereg zaburzeń atmosfery np. zapylenie, zachmurzenie, prędkość wiatru itp.