Introduktion til vindhastighedsovervågning i små vindmøller

Dette er den første i en række artikler som jeg ønsker at udgive i løbet af de næste måneder og som henvender sig til alle, som ønsker at lære mere om vindmøller og det, der hører til. Jeg vil lægge ud med små vindmøller samt basispunkterne herom, hvorefter jeg lidt efter lidt skruer op for de tekniske detaljer og kompleksiterne ved vurdering af beliggenheder, som jo ofte er vindenergi-analytikeres levebrød.

Disse artikler forsøger at give en opsummering af de typiske spørgsmål, vi får dagligt fra slutbrugere, som kontakter os - og skal ikke ses som en erstatning for en vindanalytikers professionelle assistance. 

Når man overvejer at installere en lille vindmølle udenfor sit hjem eller måske på sin gård, er der nogle overvejelser som skal gøres undervejs. De vigtigste af dem kan sammenfattes i tre hovedpunkter:

• Højde
• Beliggenhed
• Størrelse af vindmølle

 Højde

Det er meget enkelt - jo højere et vindmølletårn, jo bedre. Jo længere op man kommer, des færre hindringer og den følgelig mindre turbulens resulterer som oftest i højere vindhastigheder

(Faktiske data fra Logic Energy Ltd)

Ovenfor ser du en sammenligner af to anemometre på den samme vindmast, en ved 40 meter, den anden ved 30 meter. 40m-anemometret viser en gennemsnitlig vindhastighed på 1m/s mere end 30m-anemometret.

Beliggenhed

Placering, placering, placering, ligesom det gør sig gældende på ejendomsmarkedet, er dette punkt sandsynligvis et af de vigtigste at tage med i overvejelserne om at installere en vindmølle. Vi kan opholde os nok så meget på et område med megen blæst, men ethvert punkt har sine potentielle fælder - hindringer såsom træer, huse og nærliggende byer kan have en utilsigtet indflydelse, ikke bare på forøgelsen af turbulens, men også på selve vindhastighederne, som er under risiko for at blive nedbragt.

Som du kan se ovenfor - jo højere og bedre placeret vindmøllen, des mindre turbulens samt en mere jævn vindstrøm.

Størrelse af vindmølle

Tænk på sejlene på et skib. Jo større de er, jo mere vind opfanger de og desto mere energi høstes der heraf. Vindmøller er ikke så forskellige - størrelsen af rotoren har indflydelse på, hvor meget vind der opfanges.

Der findes selvfølgelig teknikker der fremmer vindens nyttevirkning og andre slags tekniske fremstød, men det er en tommelfingerregel, der er værd at have i baghovedet.

Den afsluttende pointe har atter at gøre med en vindmølles beliggenhed. I visse områder, hvor vinden er stormfuld, turbulent og måske endda for kraftig, er det ikke altid den bedste løsning at installere en vindmølle med stor rotor, da mindre vindmøller kan have større potentiale til at udnytte de høje vindhastigheder.

Din vindanalytiker eller konsulent kan rådgive dig om dette, når først du har indsamlet nok vindmålingsdata.

Planlægning af vindovervågningsprojektet

Med disse tre regler in mente kan vi begynde at lede efter det rette område at bygge en vindmølle, men først og fremmest er det nødvendigt at kontrollere vindhastigheden over et bestemt tidsrum, jo længere jo bedre. Dette kan gøres på forskellige måder, men generelt set er det tilrådeligt at gøre brug af en professionel vindlogger, som ikke blot måler diverse vinddata, men samtidig udfører beregninger i realtid for i sidste ende at kunne stille alle de relevante oplysninger til rådighed for vindanalytikeren.

Begreber, der er gode at gøre sig bekendt med:

• Gennemsnit, maksimum og almindelige afvigelser i vindhastigheder: Disse anføres sædvanligvis i perioder á 10 minutter.
  • Gennemsnit: Dette er middelværdien af vindhastigheden i løbet af 10 minutters-intervallet, sædvanligvis angivet i meter pr. sekund [m/s]
  • Maksimum: Dette er den højest målte vindstødshastighed i løbet af 10 minutters-intervallet
  • Almindelige afvigelser: Disse indikerer vindens turbulensstyrke i løbet af 10 minutters-intervallet. Vi er nødt til at sikre os at vindmøllen arbejder "med" vinden og ikke "mod" den.
• Vindretning: Det er nødvendigt at vide hvorfra vinden normaltvis kommer og ved hvilke hastigheder.
• MET-master eller vindmaster: Bruges af fagfolk til anemometri eller montering af vindfølere. Master må ikke vibrere eller "vakle", da det kan have indflydelse på vindloggerens målinger. En vindmast vil sædvanligvis have flere sensorer monteret ved forskellige højder for et optimalt måleresultat. Faktorer såsom ruhedslængde og vindgradient er vigtige at tage med, men også temperatur og tryk.
• Vindgradient: Denne udregnes ved at måle vindhastigheden ved forskellige højder. Denne fremgangsmåde giver et bedre billede af turbulensens styrke, men også vindshastighedseffekten ved højere punkter. Fremgangsmåden bruges også til at ekstrapolere til endnu højere punkter, når det ikke er fysisk muligt at måle disse. En anden fordel ved måling af flere højder er at holde alle muligheder åbne, når det kommer til valget mellem forskellige vindmøller.

(Eksempel på gennemsnit, maksimum og almindelige afvigelser på LeSENSE, leveret af Logic Energy Ltd)

Spørgsmål og svar

• Hvor længe bør en sådan undersøgelse vare??
  • Det tager resultatet af adskillige måneders måling at foretage en kvalificeret beslutning. Ideelt set mindst 6 måneder, gerne et helt år.
• Hvad gør je når jeg har samlet alle de nødvendige vinddata?
• Det er at foretrække at få en professionel analytiker til at bedømme resultaterne, ikke mindst når vindhastigheden virker fornuftig og beliggenheden lovende.
• Videresend resultaterne til din foretrukne vindmølleleverandør, de bør være i stand til at skønne hvor meget energi, der kan udvindes fra din beliggenhed.
• Beregn den gennemsnitlige vindhastighed, denne vil give dig en generisk ide om hvor høj vindhastigheden er ved beliggenheden.
  • Som tommelfingerregel for små vindmøller, som bliver privat finansieret, begynder ting at se lovende ud omkring de 4m/s.
  • Er vindmøllen bankfinansieret vil du sædvanligvis få brug for vindhastigheder over de 6m/s
• Beregn frekvensfordelingen, denne vil giver dig et klart billede af en beliggenheds vindprofil ved at fordele eller dividere de forskellige vindhastigheder til mindre sektioner.
  • Når først du har fundet ud af hvor mange timer vinden har blæst ved forskellige hastigheder (sædvanligvis i bånd eller bins af 1m/s) kan du begynde at gange disse med effektkurven fra vindmølleleverandøren. Den endelige sum vil angive hvor meget energi der ville blive genereret ved en given beliggenhed med en given vindmølle.
• Hvis alt andet går galt... Tøv ikke med kontakte os og vi vil sætte dig i forbindelse med en specialist.

(Frekvensfordelingsdiagram via LeSENSE, leveret af Logic Energy Ltd)

Udstyr

• Anemometre. Disse skal kalibreres med et sporbart certifikat. Har en nøjagtighed på under 1% og en opløsningsevne på 0.1m/s. Det anbefales at bruge mindst to anemometre.
• Windfane, gerne med 1* opløsning
• Windlogger eller kontrolapparat:
  • Denne skal kunne arkivere historiske data med minimum følgende parametre ud fra vindhastigheden:
    • Gennemsnit, maksimum og almindelige afvigelser i vindhastigheden
  • Vindretning
  • Gerne målinger af temperatur og/eller tryk samt fugtighed.
  • Gerne indeholdende flere indgange til yderligere anemometriværktøjer eller andre sensorer
  • Strømtilførsel til vindloggeren eller kontrolenheden
    • I kortere måleperioder er det fint at bruge alkaliske batterier når det er muligt at indsamle data med jævnlige mellemrum
    • I længere måleperioder anbefales det at hente dataene udefra (dvs. via GSM eller GPRS) og bruge PhotoVoltaic-udstyret til at tilføre strøm til kontrolapparatet

 Flere spørgsmål og svar

Hvorfor skal jeg overhovedet bruge en vindlogger til at måle vindhastigheder?

Det ville være at spille hasardspil at installere en vindmølle uden at kende den nøjagtige vindprofil for en beliggenhed. Udsving så små som 0.4m/s på målte vindhastigheder kan resultere i en tarif på hundredetusindvis af kroner i løbet af 20-25 år. Vindanalytikere og bankere er udmærket godt klar over dette - der er ingen hemmeligheder, kun matematik og gode vinddata.

Jeg har kigget på resultater i vinddatabaser og mit område viser et godt/skidt gennemsnitligt udgangspunkt for vindhastigheden. Er det nok til at tage en beslutning?

Nej, det er det ikke. Individuelle mikrosamlinger i vindmøller bliver påvirket af beliggenhedens anlægskompleksitet. Man kan komme ud for at gode vinddata fra databasen ikke kan overføres til virkeligheden grundet omgivelsernes indvirken (træer, huse, dale) og vice versa.

“Weibull-fordeling" og andre smarte ord, hvad betyder de?

Når du har en gennemsnitlig vindhastighed samt en vindprofil, kan du udregne en fast værdi til brug med Weibull-fordelingsalgoritmen. Denne giver mulighed for at udvinde end endnu længere energiprognose. Grundlæggende skal du kende den stabile parameter som udregnes ud fra målingerne af vindhastigheden.

Eksempel fra en lille vindmølle

Lad os kaste et blik på dette diagram, begge grafer tilhører den samme beliggenhed. Den ene angiver vindsandsynligheden baseret på Weibull-fordelingen med k=2 (som er den generelle antagelse ifølge industristandarderne), den anden baserer sig på faktiske data som er logget med LeNETmobile-kontrolapparatet. Begge grafer giver et gennemsnit på 3.5m/s.

Dette diagram viser vindhastigheden i m/s på den horisontale akse og vindsandsynligheden pr. vindhastighed på den vertikale akse.

De forudsigende data angiver en 12% sandsynlighed for en vindhastighed på 6m/s, mens de reelle data kun viser 6.5%. Dette kan umiddelbart opfattes negativt, men tag et kig på den højere ende af vindhastigheder: 10m/s, 12m/s,... det er ved disse hastigheder vindmøller yder deres bedste og har den højeste effektivitet!

Så langt, så godt... men hvordan forholder det sig til selve energiproduktionen?

Vi konstaterer det antal af timer, vinden har blæst ved forskellige hastigheder i begge sæt data (faktiske data / Weibull). Vi sammenstiller de to sæt med effektkurven fra leverandøren og ender med to vidt forskellige værdier::

Samlede data (reelle): 1,492kWh på en måned

Anslåede data (Weibull): 1,086kWh på en måned

Her ser vi forskellen på at kende de faktiske data fra beliggenheden kontra gisningerne herom. I dette tilfælde med et positivt udfald, men tænk nu hvis det var omvendt? Hvad hvis vi forventer mere energi end der overhovedet er tilgængeligt i området? Det er helt bestemt vigtigt at bestemme en beliggenheds virkelige potentiale, før man investererer i en vindmølle.

Men... 1,500kWh om måneden er da ikke særlig meget?

Tja, det kommer alt sammen an på størrelsen af vindmøllen og den tilgængelige vind ved beliggenheden. Denne undersøgelse blev udført med en særligt lille vindmølle.