Teledetekcyjne metody pomiarów prędkości i kierunku wiatru

Pomiary prędkości i kierunku wiatru są potwierdzeniem dostępnych danych oraz przypuszczeń o warunkach wiatrowych panujących na interesującym nas obszarze.  Wykonanie badań parametrów wiatru wymaga przestrzegania odpowiednich zaleceń oraz dużej dokładności. Błędy popełnione przy mierzeniu wiatru mogą doprowadzić do niedoszacowania lub przeszacowania produktywności planowanych turbin wiatrowych. Okres wykonywania pomiarów nie powinien być krótszy niż jeden rok, a zaleca się badania wieloletnie. Analiza danych wiatrowych wymaga uwzględnienia ukształtowania oraz szorstkości terenu, a także lokalnych warunków klimatycznych. W zależności od wielkości planowanej inwestycji i urozmaicenia orografii terenu stosuje się jedno bądź więcej miejsc pomiarowych, a następnie uzyskane dane poddawane są specjalistycznej obróbce w programach wykorzystujących obliczenia statystyczne.  Tak otrzymane i opracowane dane są podstawą do oszacowania produktywności planowanej farmy, jej opłacalności ekonomicznej oraz czasu zwrotu inwestycji.

Rys. 1. Przykładowy zakres wysokości pomiarowych na masztach pomiarowych.

Pomiarów parametrów wiatru dokonuje się zazwyczaj na masztach pomiarowych, które swoją wysokością sięgają dolnych oraz środkowych zakresów pracy wirnika przyszłej elektrowni wiatrowej (rys. 1). Następnie, na podstawie pomiarów, wylicza się wartości prędkości wiatru na wyższych poziomach, więc dane o prędkości wiatru w całym zakresie pracy wirnika są częściowo danymi obliczanymi. Maszt pomiarowy wymaga także uzyskania pozwolenia na budowę, czyli procedury administracyjnej, która w zależności od organów lokalnych samorządów może trwać kilka miesięcy. Alternatywą dla masztów pomiarowych są teledetekcyjne metody pomiarów parametrów wiatru. Ich bardzo dużą zaletą jest łatwość transportu urządzenia (można je przewieźć małą ciężarówką), brak konieczności uzyskiwania pozwoleń administracyjnych oraz możliwość pomiaru parametrów wiatru w całym zakresie pracy wirnika przyszłej elektrowni wiatrowej (rys. 2). Jednym z takich urządzeń jest Sodar.

Rys. 2. Przykładowy zakres wysokości pomiarowych dla urządzenia teledetekcyjnego.

Sodar (ang. Sonic Detection and Ranging) jest to urządzenie do pomiaru intensywności turbulencji, prędkości oraz kierunku wiatru w warstwie granicznej, na podstawie analizy sygnałów akustycznych. Sodar wyznacza parametry wiatru na podstawie analizy dopplerowskiego przesunięcia częstości emitowanego impulsu fali akustycznej powodowanego ruchem cząsteczek chmurowych lub niejednorodności atmosfery. Zazwyczaj składa się z trzech anten akustycznych. Pierwsza ustawiona pionowo, druga nachylona w kierunku wschodnim, a trzecia w kierunku północnym. Do atmosfery wysyłane są kierunkowe impulsy akustyczne, a następnie energia tych fal rozpraszana jest na niejednorodnościach gęstości atmosfery wywołanych np. turbulencją. Obszary rozpraszające dryfują z wiatrem, więc częstotliwość rozproszonej fali wstecznej posiada przesunięcie dopplerowskie.
Z przesunięć dopplerowskich sygnałów akustycznych rozproszonych wstecznie fal mogą być obliczone ruchy obszarów rozpraszających wzdłuż trzech promieni akustycznych. Po wykorzystaniu związków trygonometrycznych można wyznaczyć wektor wiatru.

Sodary są stosowane w meteorologii od ponad 30 lat. Ich dużą zaletą jest możliwość mierzenia wartości parametrów wiatru na wysokości nawet 200 m. Starsze urządzenia wykorzystujące analizę sygnałów akustycznych miały problem z pomiarem parametrów wiatru podczas deszczu. Spadające krople były interpretowane jako pionowa składowa prędkości wiatru. Obecnie w Sodarach stosuje się oprogramowanie, które eliminuje błędy pomiarowe powstałe podczas pomiaru w trakcie opadów deszczu.

Rys. 3. Sodar Triton.

Poniżej przedstawiono porównanie danych prędkości wiatru uzyskanych z Sodaru firmy SecondWind – Triton oraz danych pomierzonych na maszcie pomiarowym na odpowiadających sobie wysokościach, przeprowadzone w lipcu i sierpniu 2009 roku w Holandii.

Na przedstawionych wykresach porównujących wartości prędkości wiatru na wysokościach 60, 80 i 100 m jest widoczne, że korelacja danych z Sodaru i masztu pomiarowego jest bardzo dobra i wynosi ok. 0,97 dla wszystkich wysokości pomiarowych.

Wartości kierunku wiatru pomierzone za pomocą urządzenia Triton są zbliżone do wartości uzyskanych z czujników kierunku umieszczonych na maszcie pomiarowym. Podobnie jak w przypadku prędkości korelacja wynosi tu 0,97. Przedstawione dane świadczą o tym, że wartości parametrów wiatru uzyskane na podstawie badania urządzeniem sodarowym są bardzo zbliżone do danych uzyskiwanych z bezpośredniego pomiaru anemometrami oraz wiatromierzami kierunkowymi na masztach pomiarowych.

Podsumowanie

Sodar, jak wynika z powyższego porównania, może być urządzeniem dającym wiarygodne wyniki pomiarów parametrów wiatru. Jego dużą zaletą jest brak konieczności uzyskiwania zezwoleń administracyjnych, co umożliwia szybkie rozpoczęcie pomiarów, np. przed uzyskaniem pozwolenia na budowę masztu pomiarowego, oraz pomiar w całym zakresie pracy przyszłej elektrowni wiatrowej. Łatwość transportu urządzenia pozwala na badania w różnych częściach planowanej farmy w celu porównania parametrów wiatru oraz dokładniejszego określenia warunków wiatrowych dla całego obszaru inwestycji. Sodary mają wspólny format danych z masztami pomiarowymi, co umożliwia obróbkę danych o wietrzności tymi samymi programami.

Sodar może być także urządzeniem kontrolującym poprawność danych otrzymywanych z masztu pomiarowego.

Źródła:

• Hans Verhoef, Arno van der Werff, Henk Oostrum, “Comparative measurements between a Triton SODAR and Meteo Measurements at the EWTW”, The Netherlands
• Gumuła  St., Knap T., Strzelczyk P., Szczerba Z.: Energetyka wiatrowa, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2006.
• www.w4e.pl
• www.secondwind.com