Jak interpretować dane ze stacji pogodowej przed montażem turbiny wiatrowej

Stacja pogodowa pokazuje dziesiątki liczb, ale dla przydomowej turbiny wiatrowej ważnych jest tylko kilka. Liczy się średnia prędkość wiatru na wysokości wirnika, rozkład tej prędkości w roku, porywy i dominujący kierunek. Wyjaśniamy, jak interpretować dane ze stacji pogodowej, jak czytać kierunek wiatru, na przykład ENE, i jak przełożyć pomiary na decyzję o montażu turbiny.

Co mierzy stacja pogodowa

Do oceny wietrzności potrzebne są dwa czujniki: anemometr, który mierzy prędkość wiatru, i wiatrowskaz, który pokazuje kierunek. Pozostałe dane, takie jak temperatura, ciśnienie i wilgotność, są pomocnicze.

Najczęściej spotkasz trzy rodzaje stacji:

• stacje domowe z anemometrem czaszowym, wystarczające do wstępnej oceny, jeśli stoją w dobrym miejscu,
• stacje z anemometrem ultradźwiękowym, bez ruchomych części, dokładniejsze przy słabym wietrze,
• maszty pomiarowe z czujnikami na kilku wysokościach, stosowane przy większych inwestycjach.

Najważniejsze jest miejsce montażu czujnika. Standardem meteorologicznym jest pomiar wiatru na wysokości 10 m nad gruntem, na otwartym terenie. Anemometr przykręcony do rynny albo ukryty za dachem pokaże zaniżone i zaburzone wartości.

Prędkość wiatru: średnia to nie wszystko

Średnia prędkość wiatru jest punktem wyjścia, ale sama nie wystarczy. Energia wiatru zależy od trzeciej potęgi prędkości, więc dwa miejsca o tej samej średniej mogą dać różną produkcję.

Gęstość mocy wiatru opisuje wzór P = ½ · ρ · v³, gdzie ρ to gęstość powietrza, w warunkach standardowych około 1,225 kg/m³. Przykład:

• przy 5 m/s przez każdy metr kwadratowy przepływa około 77 W mocy wiatru,
• przy 6 m/s już około 132 W.

Wzrost prędkości o 1 m/s daje więc około 70% więcej mocy. Dlatego dokładność pomiaru ma większe znaczenie, niż się wydaje.

Rozkład prędkości w roku

Stacje zapisują zwykle średnie z krótkich okresów, na przykład 10-minutowe. Z takich danych warto zbudować histogram: ile godzin w roku wiało z prędkością 0–1 m/s, 1–2 m/s i tak dalej. Rozkład prędkości wiatru dobrze opisuje rozkład Weibulla, z którego korzystają też producenci turbin.

Histogram zestawia się z krzywą mocy turbiny. Każda turbina ma trzy ważne prędkości:

1. prędkość startową, przy której zaczyna produkować energię,
2. prędkość znamionową, przy której osiąga moc nominalną,
3. prędkość wyłączenia, powyżej której zatrzymuje się dla bezpieczeństwa.

Iloczyn liczby godzin w każdym przedziale i mocy turbiny dla tej prędkości daje szacunek rocznej produkcji. Warto sprawdzić, czy krzywa mocy pochodzi z badań według norm IEC dla małych turbin (IEC 61400-2), a nie tylko z obliczeń producenta. Wstępny wynik dla swojej lokalizacji dostaniesz w kalkulatorze turbiny wiatrowej.

Porywy i turbulencje

Poryw to krótkotrwały wzrost prędkości wiatru. W meteorologii podaje się go jako najwyższą prędkość uśrednioną z kilku sekund. Porywy mówią więcej o obciążeniu konstrukcji niż o produkcji energii.

Na co patrzeć w danych:

• jak często porywy przekraczają prędkość wyłączenia turbiny,
• jaki jest stosunek porywów do średniej prędkości, bo duża różnica oznacza turbulentny przepływ,
• czy silne porywy przychodzą z jednego kierunku, na przykład zza budynku lub linii drzew.

Turbulencje obniżają produkcję i przyspieszają zużycie łożysk oraz hamulca. Turbina pionowa znosi je zwykle lepiej niż pozioma, ale też nie lubi zawirowań. Różnice opisujemy w artykule turbina pionowa czy pozioma.

Kierunek wiatru i róża wiatrów

Kierunek wiatru zawsze oznacza stronę, z której wiatr wieje. Wiatr zachodni (W) wieje z zachodu na wschód, a wiatr ENE wieje ze wschodnio-północnego wschodu.

Stacje podają kierunek w stopniach (0° to północ, 90° wschód, 180° południe, 270° zachód) albo w 16 kierunkach róży wiatrów:

• N, NNE, NE, ENE, E, ESE, SE, SSE,
• S, SSW, SW, WSW, W, WNW, NW, NNW.

ENE odpowiada więc około 67,5°, a WSW około 247,5°.

Róża wiatrów pokazuje, jak często i jak mocno wieje z poszczególnych kierunków. Dla turbiny ważne są dwie rzeczy: z których kierunków przychodzi najwięcej energii i czy w tych kierunkach nie stoją przeszkody. W większości Polski przeważają wiatry z sektora zachodniego, ale lokalny teren potrafi ten obraz mocno zmienić.

Dane historyczne ze stacji synoptycznych w Polsce udostępnia Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW-PIB) w swoim serwisie danych publicznych. To dobre tło do porównania z własnym pomiarem.

Wysokość pomiaru a wysokość turbiny

Prędkość wiatru rośnie z wysokością, a przy samym gruncie spowalnia go tarcie o teren, drzewa i budynki. Pomiar z 3 m nad ziemią nie pokaże warunków na wysokości 12 m.

Do przeliczenia prędkości na inną wysokość używa się profilu wiatru. Na otwartym terenie często przyjmuje się wykładnik około 0,14, w zabudowie i przy lesie znacznie większy. Przeliczenie zawsze jest szacunkiem. Najlepiej mierzyć na wysokości planowanego wirnika albo w kilku punktach masztu.

Turbina powinna stać wyraźnie ponad przeszkodami w swoim otoczeniu. Każdy budynek i rząd drzew tworzy za sobą strefę zawirowań, w której turbina produkuje mniej i zużywa się szybciej.

Od pomiaru do decyzji o turbinie

Najlepszą ocenę daje połączenie dwóch źródeł: krótkiego pomiaru na działce i wieloletnich danych z najbliższej stacji meteorologicznej. Własny pomiar pokazuje lokalne warunki, a dane wieloletnie mówią, czy mierzony okres był typowy.

1. Postaw anemometr i wiatrowskaz na maszcie, możliwie na wysokości planowanej turbiny.
2. Zbieraj dane przez kilka miesięcy, a najlepiej przez pełny rok.
3. Porównaj swój pomiar z równoległymi danymi z najbliższej stacji i przelicz go na typowy rok.
4. Zbuduj histogram prędkości i różę wiatrów, a następnie zestaw je z krzywą mocy wybranej turbiny.
5. Sprawdź porywy i kierunki z przeszkodami, zanim wybierzesz miejsce montażu.

Szerzej o całym procesie piszemy w artykule o analizie wietrzności, a o przepisach dotyczących lokalizacji w tekście o odległości wiatraka od granicy działki.

Dane po montażu turbiny

Stacja pogodowa przydaje się także po uruchomieniu turbiny. Porównanie prędkości wiatru z produkcją pokazuje, czy turbina pracuje zgodnie z krzywą mocy.

Jeśli przy tych samych warunkach produkcja spada, przyczyną bywa zużycie łożysk, niewyważony wirnik albo błąd sterownika. Takie odchylenia wychwytujemy w ramach monitoringu i przeglądów, o których piszemy w artykule o konserwacji przydomowego wiatraka. Sun Valley Energy analizuje dane wiatrowe przed doborem turbiny przydomowej i monitoruje pracę instalacji po montażu.