Evaluarea resurselor eoliene - Wind resource assessment

Evaluarea resurselor eoliene este procesul prin care dezvoltatorii de energie eoliană estimează producția viitoare de energie a unui parc eolian . Evaluările precise ale resurselor eoliene sunt cruciale pentru dezvoltarea cu succes a parcurilor eoliene.

Istorie

Evaluările moderne ale resurselor eoliene au fost efectuate de când au fost dezvoltate primele parcuri eoliene la sfârșitul anilor 1970. Metodele utilizate au fost inițiate de dezvoltatori și cercetători din Danemarca , unde s-a dezvoltat pentru prima dată industria modernă a energiei eoliene .

Hărți ale resurselor eoliene

Cartografierea de înaltă rezoluție a potențialului resurselor de energie eoliană a fost realizată în mod tradițional la nivel de țară de către guvern sau agenții de cercetare, în parte datorită complexității procesului și a cerințelor intensive de calcul implicate. Cu toate acestea, în 2015, Universitatea Tehnică a Danemarcei , în cadrul Ministerului Energiei Curate , a lansat Atlasul Eolian Global (versiunea 1.0) pentru a furniza date disponibile gratuit despre potențialul resurselor eoliene la nivel global. Atlasul eolian global a fost relansat în noiembrie 2017 (versiunea 2.0) în parteneriat cu Banca Mondială , cu hărți ale resurselor eoliene disponibile acum pentru toate țările la o rezoluție de 250 m.

Un alt exemplu internațional similar este Atlasul Eolian European , care este în curs de actualizare în cadrul proiectului Noul Atlas Eolian European finanțat de Uniunea Europeană .

Exemple de hărți ale resurselor eoliene ale țării includ Atlasul eolian canadian , Atlasul eolian al resurselor din Statele Unite și o serie de hărți eoliene publicate de Banca Mondială în cadrul unei inițiative lansate de ESMAP în 2013 axată pe țările în curs de dezvoltare. Aceasta a urmat unei inițiative anterioare a Programului Națiunilor Unite pentru Mediu , proiectul de evaluare a resurselor de energie solară și eoliană (SWERA), care a fost lansat în 2002, cu finanțare de la Global Environment Facility . Cu toate acestea, aceste hărți ale resurselor eoliene ale țării au fost în mare parte înlocuite de Atlasul Eolian Global în ceea ce privește calitatea datelor, metodologia și rezoluția de ieșire.

Rezultatele de mapare globale și de țară de mai sus și multe altele sunt disponibile, de asemenea, prin intermediul Atlasului global pentru energie regenerabilă dezvoltat de Agenția Internațională pentru Energie Regenerabilă (IRENA), care reunește date GIS disponibile public despre efortul eolian și al altor resurse de energie regenerabilă.

Prospectarea vântului poate începe cu utilizarea unor astfel de hărți, dar lipsa de precizie și detaliile fine le fac utile doar pentru selecția preliminară a site-urilor pentru colectarea datelor despre viteza vântului. Odată cu creșterea numărului de măsurători la sol de la stații de anemometru instalate special, precum și a datelor de operare de la fermele eoliene comandate, precizia hărților resurselor eoliene în multe țări s-a îmbunătățit în timp, deși acoperirea în majoritatea țărilor în curs de dezvoltare este încă neuniformă. În plus față de sursele disponibile public enumerate mai sus, hărțile sunt disponibile ca produse comerciale prin intermediul consultanțelor de specialitate sau utilizatorii de software GIS își pot face propriile folosind datele GIS disponibile publicului, cum ar fi setul de date eoliene de înaltă rezoluție al Laboratorului Național de Energie Regenerabilă din SUA.

Deși precizia s-a îmbunătățit, este puțin probabil ca hărțile resurselor eoliene, fie ele publice sau comerciale, să elimine necesitatea măsurărilor la fața locului pentru proiectele de generare eoliană la scară utilitară. Cu toate acestea, cartografierea poate ajuta la accelerarea procesului de identificare a amplasamentului și existența unor date de înaltă calitate, la sol, poate scurta perioada de timp în care trebuie colectate măsurătorile la fața locului.

În plus față de atlase „statice” ale resurselor eoliene, care estimează media vitezei vântului și a densității puterii pe mai mulți ani, instrumente precum Renewables.ninja oferă simulări variabile în timp ale vitezei vântului și puterii de ieșire de la diferite modele de turbine eoliene la o rezoluție orară.

Măsurători

Pentru a estima producția de energie a unui parc eolian, dezvoltatorii trebuie mai întâi să măsoare vântul la fața locului. Sunt instalate turnuri meteorologice echipate cu anemometre , palete de vânt și uneori senzori de temperatură , presiune și umiditate relativă . Datele din aceste turnuri trebuie să fie înregistrate timp de cel puțin un an pentru a calcula o distribuție reprezentativă anuală a frecvenței vitezei vântului.

Deoarece măsurătorile la fața locului sunt de obicei disponibile numai pentru o perioadă scurtă, datele sunt colectate și de la stațiile de referință pe termen lung din apropiere (de obicei la aeroporturi). Aceste date sunt utilizate pentru a regla datele măsurate la fața locului, astfel încât viteza medie a vântului să fie reprezentativă pentru o perioadă pe termen lung pentru care nu sunt disponibile măsurători la fața locului. Versiunile acestor hărți pot fi văzute și utilizate cu aplicații software precum WindNavigator .

Calcule

Următoarele calcule sunt necesare pentru a estima cu exactitate producția de energie a unui proiect de parc eolian propus:

• Corelații între turnurile meteorologice la fața locului:
  • Mai multe turnuri meteorologice sunt de obicei instalate pe amplasamentele fermelor eoliene mari. Pentru fiecare turn, vor exista perioade de timp în care datele lipsesc, dar care au fost înregistrate la un alt turn la fața locului. Pentru completarea datelor lipsă se pot utiliza regresii liniare de pătrate minime și alte metode de regresie mai specifice vântului. Aceste corelații sunt mai exacte dacă turnurile sunt situate una lângă alta (la câțiva km distanță), senzorii de pe diferite turnuri sunt de același tip și sunt montați la aceeași înălțime deasupra solului.
• Corelații între stațiile meteo pe termen lung și turnurile meteorologice la fața locului:
  • Deoarece vântul este variabil de la an la an, iar puterea produsă este legată de cubul vitezei vântului, măsurătorile la fața locului pe termen scurt (<5 ani) pot duce la estimări energetice foarte inexacte. Prin urmare, datele despre viteza vântului din stațiile meteo din apropiere pe termen lung (situate de obicei pe aeroporturi) sunt utilizate pentru a ajusta datele la fața locului. De regulă se folosesc regresii liniare cu cele mai mici pătrate, deși există și alte metode.
• Forfecare verticală pentru a extrapola viteza măsurată a vântului la înălțimea butucului turbinei:
  • Înălțimile butucului turbinelor eoliene moderne sunt de obicei de 80 m sau mai mari, dar dezvoltatorii sunt deseori reticenți să instaleze turnuri mai înalte de 60 m, din cauza necesității permiselor FAA în SUA și a costurilor. Profilurile de forfecare verticală ale legii puterii și ale legii jurnalului sunt cele mai comune metode de extrapolare a vitezei măsurate a vântului la înălțimea butucului.
• Modelarea fluxului de vânt pentru a extrapola viteza vântului pe un site:
  • Viteza vântului poate varia considerabil între un parc eolian dacă terenul este complex (deluros) sau dacă există modificări ale rugozității (înălțimea vegetației sau a clădirilor). Software-ul de modelare a fluxului de vânt, bazat fie pe abordarea liniară WAsP tradițională , fie pe cea mai nouă abordare CFD , este utilizat pentru a calcula aceste variații ale vitezei vântului.
• Producția de energie utilizând curba de putere a producătorului unei turbine eoliene:
  • Când s-au calculat viteza vântului pe înălțimea butucului pe termen lung, curba de putere a producătorului este utilizată pentru a calcula producția brută de energie electrică a fiecărei turbine din parcul eolian.
• Aplicarea factorilor de pierdere a energiei:
  • Pentru a calcula producția netă de energie a unui parc eolian, următorii factori de pierdere se aplică producției brute de energie:
    • pierderea trezirii turbinei eoliene
    • disponibilitatea turbinei eoliene
    • pierderi electrice
    • degradarea lamei din gheață / murdărie / insecte
    • oprirea temperaturii ridicate / scăzute
    • oprire viteză mare a vântului
    • reduceri din cauza problemelor de rețea

Aplicații software

Dezvoltatorii de energie eoliană utilizează diferite tipuri de aplicații software pentru a evalua resursele eoliene.

Managementul datelor eoliene

Software-ul de gestionare a datelor eoliene ajută utilizatorul în colectarea, stocarea, recuperarea, analiza și validarea datelor eoliene. În mod obișnuit, seturile de date despre vânt sunt colectate direct de la un jurnal de date, situat la un sit de monitorizare meteorologică, și sunt importate într-o bază de date. Odată ce setul de date este în baza de date, acesta poate fi analizat și validat folosind instrumente integrate în sistem sau poate fi exportat pentru utilizare în software-ul extern de analiză a datelor eoliene, software-ul de modelare a fluxului eolian sau software-ul de modelare a parcurilor eoliene.

Mulți producători de jurnal de date oferă software de gestionare a datelor eoliene care este compatibil cu jurnalistul lor. Aceste pachete software vor colecta, stoca și analiza de obicei datele de la proprii jurnalisti ai producătorului.

Există programe și servicii de gestionare a datelor de la terți care pot accepta date de la o mare varietate de înregistratori și oferă instrumente de analiză mai cuprinzătoare și validare a datelor.

Analiza datelor despre vânt

Software-ul de analiză a datelor despre vânt îl ajută pe utilizator să elimine erorile de măsurare din seturile de date despre vânt și să efectueze analize statistice specializate.

Modelare de simulare atmosferică

Metodele de modelare a fluxului de vânt calculează hărți de înaltă rezoluție ale fluxului de vânt, adesea la o rezoluție orizontală mai mică de 100 m. Când faceți modelare cu rezoluție fină, pentru a evita depășirea resurselor de calcul disponibile, domeniile tipice de model utilizate de aceste modele la scară mică au câțiva kilometri în direcția orizontală și câteva sute de metri în direcția verticală. Modelele cu un domeniu atât de mic nu sunt capabile să capteze fenomene atmosferice la scară mezo care deseori conduc la modele de vânt. Pentru a veni această limitare, modelarea imbricată este uneori folosită.

Modelarea fluxului de vânt

Software-ul de modelare a fluxului eolian își propune să prezică caracteristici importante ale resursei eoliene în locațiile în care măsurătorile nu sunt disponibile. Cea mai frecvent utilizată astfel de aplicație software este WAsP, creată la Laboratorul Național Risø din Danemarca. WAsP folosește un model de flux potențial pentru a prezice modul în care vântul curge peste teren într-un loc. Meteodyn WT și WindStation sunt aplicații similare care utilizează în schimb calcule de dinamică a fluidelor ( CFD ), care sunt potențial mai precise, în special pentru terenuri complexe.

Modelarea parcurilor eoliene

Software-ul de modelare a parcurilor eoliene își propune să simuleze comportamentul unui parc eolian propus sau existent, cel mai important pentru a calcula producția sa de energie. Utilizatorul poate introduce de obicei date despre vânt, înălțime și rugozitate linii de contur, specificații ale turbinei eoliene, hărți de fundal și poate defini obiecte care reprezintă restricții de mediu. Aceste informații sunt apoi utilizate pentru a proiecta un parc eolian care maximizează producția de energie, ținând în același timp cont de restricții și probleme de construcție. Există mai multe aplicații software de modelare ferme eoliene disponibile, inclusiv ZephyCFD , Meteodyn WT , Openwind , Windfarmer , WindPRO , WindSim și WASP .

Modelarea parcului eolian la scară medie

În ultimii ani, o nouă rasă de dezvoltare a parcurilor eoliene a crescut din nevoia crescută de generare distribuită de energie electrică din resursele eoliene locale. Acest tip de proiecte eoliene sunt conduse în mare parte de proprietarii de terenuri cu cerințe energetice ridicate, cum ar fi fermierii și administratorii de șantiere industriale. O cerință specială din punct de vedere al modelării eoliene este includerea tuturor caracteristicilor locale, cum ar fi copacii, gardurile vii și clădirile, deoarece înălțimile butucului turbinei variază de la doar 10m la 50m. Abordările de modelare a vântului trebuie să includă aceste caracteristici, însă foarte puține dintre software-urile comerciale disponibile de modelare a vântului oferă această capacitate. Mai multe grupuri de lucru au fost înființate în întreaga lume pentru a analiza această cerință de modelare și companii precum Digital Engineering Ltd (Marea Britanie), NREL (SUA), DTU Wind Energy (Danemarca) sunt în fruntea dezvoltării în acest domeniu și analizează aplicarea tehnicilor de modelare a vântului mezo-CFD în acest scop.

Referințe