Analiza wietrzności przed montażem przydomowej turbiny wiatrowej: jak ją zrobić

Analiza wietrzności to pierwszy krok przed zakupem przydomowej turbiny wiatrowej. Pokazuje, czy na działce wieje na tyle, żeby turbina się opłaciła, gdzie ją postawić i jak wysoko. Wyjaśniamy, skąd wziąć dane o wietrze, jak zmierzyć wiatr na działce i jak przeliczyć wynik na produkcję energii. Korzystamy przy tym z poradnika Small Wind Guidebook amerykańskiego Departamentu Energii (DOE).

Dlaczego analiza wietrzności jest ważna

O opłacalności turbiny decyduje prędkość wiatru, a ta rośnie w moc z trzecią potęgą. Wiatr słabszy o 20% oznacza o mniej więcej połowę mniej mocy do wykorzystania (0,8³ to około 0,51). Szacunek „na oko” albo z mapy dla całego regionu łatwo myli się właśnie o tyle.

Dochodzą dwa zjawiska, które mapy pomijają:

• Turbulencje. Budynki, drzewa i nierówny teren burzą przepływ powietrza. Według poradnika DOE turbulencja może obniżyć roczną produkcję małej turbiny o 15–25% względem wyliczeń z krzywej mocy, bo producenci mierzą krzywe w miejscach o spokojniejszym wietrze.
• Różnice w obrębie jednej działki. Ten sam poradnik zaznacza, że warunki wiatrowe mogą się różnić nawet w obrębie jednej posesji. Kilkadziesiąt metrów w stronę otwartego pola potrafi zmienić wynik.

Analiza chroni też przed drugą skrajnością: miejscem z silnymi porywami, w którym turbina pracuje pod dużym obciążeniem i szybciej się zużywa.

Skąd wziąć dane o wietrze

Dane o wietrze zbiera się na trzech poziomach dokładności. Każdy kolejny jest dokładniejszy i bardziej pracochłonny.

Przy mapach zwracaj uwagę na wysokość, dla której pokazują wiatr. Poradnik DOE zaleca dla małych turbin mapy dla 30–40 m, a nie dla 80 czy 100 m, bo przeliczanie dużej różnicy wysokości zwiększa błąd. Dane ze stacji meteorologicznych lub lotniskowych traktuj jako wstępną ocenę: według DOE średnia prędkość na typowej wysokości osi turbiny może być o 15–25% wyższa niż na wysokości anemometru takiej stacji.

Pomiar wiatru na działce krok po kroku

Pomiar na działce daje najwięcej pewności. Poradnik DOE opisuje go tak:

1. Czas: co najmniej rok, żeby uchwycić zmienność sezonową. Kilka lat danych jest lepsze. Można też zmierzyć rok i odnieść go do wieloletniej serii z pobliskiej stacji, jeśli dane dobrze ze sobą korelują.
2. Wysokość: czujniki jak najbliżej planowanej wysokości osi turbiny.
3. Zestaw: anemometr do prędkości, wiatrowskaz do kierunku i czujnik temperatury, z rejestratorem danych.
4. Dwie wysokości: żeby policzyć uskok wiatru, czyli to, jak szybko prędkość rośnie z wysokością, trzeba mierzyć na dwóch poziomach. Bez tego nie da się rzetelnie ocenić, czy wyższy maszt się opłaci.
5. Miejsce: maszt pomiarowy stawia się dokładnie tam, gdzie ma stanąć turbina, bo w innym punkcie tej samej działki wiatr może być inny.

Z danych powstaje róża wiatrów: koło podzielone zwykle na 8 lub 16 sektorów, które pokazuje, jak często i jak silnie wieje z każdego kierunku. Na jej podstawie ustawia się turbinę po nawietrznej stronie budynków i drzew. Jak czytać dane ze stacji, opisujemy w artykule jak interpretować dane stacji pogodowej.

Stacja pogodowa do analizy wietrzności

Do analizy wietrzności nie wystarczy domowa stacja pogodowa z czujnikiem na dachu altany. Liczy się wysokość i miejsce montażu czujników oraz to, w jakiej formie zapisuje dane.

Przy wyborze sprzętu sprawdź:

• czy anemometr można zamontować na maszcie na wysokości zbliżonej do osi turbiny,
• czy stacja mierzy także kierunek wiatru, a nie tylko prędkość,
• czy rejestruje średnie z krótkich okresów i porywy, a dane można wyeksportować do analizy,
• czy ma zasilanie i pamięć pozwalające na nieprzerwany pomiar przez cały rok,
• czy można dodać drugi anemometr na innej wysokości.

Poradnik DOE odnotowuje, że na rynku są niewielkie i niedrogie zestawy do pomiaru wiatru, które najlepiej prowadzić co najmniej rok.

Jak przeliczyć wiatr na energię

Z pomiaru wychodzą średnia prędkość, rozkład prędkości w ciągu roku, kierunki, turbulencja i uskok wiatru. Produkcję turbiny liczy się, łącząc te dane z krzywą mocy konkretnej turbiny, czyli wykresem jej mocy przy różnych prędkościach wiatru.

Kilka zasad przy porównywaniu turbin:

• porównuj roczną produkcję przy tej samej średniej prędkości wiatru, a nie moc znamionową,
• sprawdź, przy jakiej prędkości turbina osiąga moc znamionową. Ta wartość bywa wysoka i rzadko występuje przy domu,
• odejmij straty na turbulencję, przewody i falownik,
• korzystaj z danych certyfikowanych przez niezależną jednostkę, jeśli producent je ma.

Wstępne wyliczenie dla swojej lokalizacji zrobisz w kalkulatorze turbiny wiatrowej, a porównanie modeli znajdziesz w artykule o najlepszych turbinach wiatrowych.

Kiedy turbina ma sens

Poradnik DOE podaje, że przydomowa turbina pracująca z siecią może mieć sens przy średniej rocznej prędkości wiatru co najmniej 4,5 m/s, a w systemie wyspowym od około 4 m/s. To wartości orientacyjne z rynku amerykańskiego. W Polsce wynik zależy dodatkowo od cen energii, sposobu rozliczenia prosumenta i tego, ile energii z turbiny zużyjesz na miejscu.

Z analizy wynika też wysokość masztu. Według DOE dolna krawędź łopat powinna być co najmniej 9 m nad każdą przeszkodą w promieniu 90 m. Jak dobrać maszt i jakie pozwolenia są potrzebne, opisujemy w artykule maszt do turbiny wiatrowej. Ogólne pytanie, czy wiatrak przy domu się opłaca, omawiamy w tekście wiatrak przydomowy: czy warto.

Co powinien zawierać raport z analizy

Rzetelny raport z analizy wietrzności powinien zawierać:

1. Opis działki: ukształtowanie terenu, przeszkody, ich wysokość i odległość.
2. Źródła danych: mapy, stacje, okres i wysokość pomiaru na działce.
3. Wyniki: średnią prędkość, rozkład prędkości, różę wiatrów, turbulencję i uskok wiatru.
4. Rekomendację lokalizacji i wysokości masztu, z wariantami.
5. Szacunek rocznej produkcji dla wybranych turbin, ze stratami.
6. Ryzyka i niepewności, na przykład rosnące drzewa czy planowaną zabudowę.

Sun Valley Energy prowadzi inwestycję wiatrową od analizy wietrzności, przez dobór turbiny i masztu, po montaż i serwis przydomowych turbin wiatrowych. Dla firm i gospodarstw przygotowujemy też analizy pod turbiny komercyjne.