Как проводятся ветроизмерения?

Измерение ветроэнергетических ресурсов является важным аспектом при реализации проектов в сфере ветроэнергетики. Необходимость проведения ветроизмерительной кампании определяется следующими факторами и причинами:

• необходимость получения кредитных средств, т.н. банковский отчет (bankable report);
• покупка новых турбин (зачастую производители просят данные ветромониторинга);
• необходимость получения гарантий выработки от производителя турбин;
• определение выработки электрической энергии от ВЭУ с высокой степенью достоверности.

Многолетняя практика реализации проектов в ветроэнергетике показывает важность наличия точных знаний о ветровых ресурсах (скорости ветра, направления) на предполагаемом месте строительства для оптимального выбора модели турбины и снижения неопределенности (погрешности) в прогнозируемом количестве произведенной электроэнергии в рамках предлагаемого проекта.  В первую очередь у большинства заказчиков возникают вопросы: «Сколько мачт необходимо использовать? Какой они должны быть высоты? Какое оборудование необходимо использовать?» В данной статье попробуем ответить на большинство вопросов.

Количество метеорологических мачт

Для ответа на данный вопрос необходимо определить топографическую сложность ландшафта. Допускается определять топографическую сложность ландшафта по следующим критериям:

• ландшафт является сложным, если высота над уровнем моря на месте мониторинга ветра и предполагаемом месте установки ветровых турбин отличается на 50 м или более либо если участок характеризуется орографическими особенностями с наклонами местности более 0,3 (17°);
• ландшафт является простым, если высота над уровнем моря на месте проведения измерений ветра и предполагаемом месте установки ветровых турбин отличается менее чем на 50 м;
• ландшафт является менее сложным, если участок характеризуется орографическими особенностями с наклонами местности менее 0,3 (17°), но высота над уровнем моря на месте проведения измерений параметров ветра и предполагаемом месте установки ветровых турбин отличается на 50 м и более.

На основании требований Measnet. Evaluation of site-specific wind conditions (далее Measnet) при размещении ветроизмерительного комплекса должно соблюдаться обязательное требование: все предполагаемые места строительства ВЭУ должны находиться в радиусе репрезентативности по меньшей мере одной мачты. В соответствии с данными Measnet репрезентативность мачты зависит от ландшафта местности, на которой она располагается, и составляет:

Вид ландшафта	Радиус репрезентативности (максимальное расстояние до ВЭУ от мачты), км
простой	10
сложный	2

Для менее сложного ландшафта радиус репрезентативности определяется путем интерполяции значений радиусов репрезентативности простого и сложного ландшафтов. В случае неоднородной шероховатости на площадке, которая потенциально может оказать влияние на результаты измерений параметров ветра, радиус репрезентативности, в том числе по направлениям, определяется индивидуально с учетом особенностей конкретного участка.

Поэтому на основании указанных выше данных определяется количество метеорологических мачт, необходимых на конкретной площадке строительства ветроустановок.

Требуемая высота метеорологических мачт

В соответствии с требованиями Measnet и FGW Technical Guidelines for Windturbines минимальная высота проводимых ветроизмерений должна составлять не менее 2/3 от высоты оси предполагаемой к установке ВЭУ (hub height). Поэтому для большинства турбин подходят мачты в диапазоне высот 80 -100 м высотой. Так же стоит обращать внимание, что оптимальной высотой проведения ветроизмерений является высота хаба ВЭУ, предполагаемой к установке. При определении высоты мачты для проведения ветроизмерений необходимо учитывать и находящиеся в ближайшем окружении различные сооружения, потому что высота проведения ветроизмерений должна превышать высоты окружающего растительного покрова и/или окружающих зданий не менее, чем в три раза (где это применимо).

Спецификация оборудования ветроизмерительного комплекса

На основании международных стандартов и мировых практик в области ветроизмерений можно составить минимально допустимое количество оборудования, устанавливаемое на ветроизмерительном комплексе:

• Три анемометра. Один верхний (TOP) анемометр, который устанавливается наверху мачты. Два дополнительных анемометра (один дополнительный анемометр на высоте менее высоты TOP анемометра (минимальное расстояние 20 м) и для охвата высоты ротора ВЭУ анемометр дополнительно устанавливается ниже на расстоянии от 10 м до 30 м. Обязательное требование для анемометров – все устанавливаемые анемометры должны иметь сертификат калибровки в соответствии с международными нормами.
• Два флюгера. Первый флюгер устанавливается минимум на 1,5 м ниже ТОР анемометра, но в пределах 10% высота хаба ВЭУ. Один дополнительный флюгер устанавливается ниже верхнего флюгера (минимальное расстояние 20 м).
• Датчик температуры воздуха.
• Датчик атмосферного давления.
• Датчик влажности.
• Дата-логгер (устройство оперативной регистрации данных для выполнения измерений метеорологических параметров).
• Шкаф управления с автономным энергоснабжением.
• Устройство освещения мачты в ночное время.

Дополнительно на мачту может быть установлено следующее оборудование:

• Источник энергоснабжения (например, фотоэлектрические панели) в случае отсутствия линии энергоснабжения.
• Датчик атмосферных осадков.
• Пиранометр (для определения интенсивности солнечного излучения).

Устройство типичного ветроизмерительного комплекса приведено ниже:

Рекомендации, предоставленные Международным электротехническим комитетом (МЭК), Международным энергетическим агентством (МЭА), MEASNET и другими международными стандартами содержат подробную информацию о минимальных технических требованиях к анемометрам, флюгерам, регистраторам данных и иному оборудованию, используемому при проведении ветроизмерений. Так же в указанных документах содержится информация о правильной ориентации, установке и расположению оборудования для получения достоверных данных, которые можно использовать для дальнейших расчетов.

Устройства дистанционного зондирования

В настоящее время широкое распространение получили устройства дистанционного зондирования, которые используются для измерения скорости ветра. Существует два основных типа устройств:

• Sodar (Sound Detection And Ranging) - излучает и принимает звук и на его основе определяет скорость ветра на разных высотах, используя принцип доплеровского сдвига;
• Lidar (Light Detection and Ranging), который также использует принцип доплеровского сдвига, но излучает и получает свет от лазера.

Устройства дистанционного зондирования — это, по сути, специальные наземные устройства, которые могут измерять скорость ветра на разных высотах без необходимости использования мачты. Поэтому использование устройств дистанционного зондирования имеет некоторые преимущества по сравнению с традиционной мачтой:

• минимальные экономические и временные затраты на монтаж и демонтаж;
• простота обслуживания оборудования;
• отсутствие согласования строительства высотного объекта*;
• отсутствие необходимости разработки проектно-сметной документации*;
• экономия занимаемого места.

*Примечание - зависит от законодательства страны

Технологии дистанционного зондирования быстро развиваются, и, хотя использование данных устройств не получило широкого распространения при строительстве наземных ветряных электростанций (устройства дистанционного зондирования уже широко используются при определении ветропотенциала оффшорных станций) ожидается, что в ближайшем будущем они получат более широкое распространение.