Измервателно оборудване за ветроенергийни паркове

Прецизното проучване на характеристиките на вятъра и метеорологичните особености на избрания терен са важен аспект от подготовката и експлоатацията на всеки ветроенергиен проект. За целта се съставя стратегия за мониторинг, която обхваща избора на подходящо място за поставяне на измервателни мачти, съобразен с терена, релефа, различни препятствия и ограничения, конфигурация на мачтите, подбор и инсталация на сензори и други измервателни устройства. Предварителните измервания продължават минимум дванадесет месеца, през време на което получените данни се събират, в последствие се съпоставят с резултатите от дългосрочни измервания на локални метеорологични станции и се анализират от експерти. На тяхна база се изготвят 3D компютърни модели на терена и симулации на ветровия поток, които допринасят за енергийната оценка на ветропарка и улесняват подбора и локацията на ветрогенераторите. След като ветроенергийната централа влезе в експлоатация, наблюдаваните параметри на вятъра и околната среда, се използват за оптимизиране на дейността й и постигане на максимална енергийна ефективност.

Измерванията включват определяне на скоростта и посоката на вятъра, на базата на които се дефинира енергийният му потенциал. В някои случаи се измерват и други характеристики като вертикално разпределение на ветровете в различните атмосферни слоеве, с помощта на радиосонди или метеорологични балони. Метеорологичните измервания включват и оценка на количеството на валежите в конкретния район, стойности на атмосферното налягане, температура и влажност. Изборът на измервателни уреди зависи от конкретните изисквания на проекта и от регионално-климатичните и топографски условия. Най-често се използват сензори за измерване скоростта на вятъра, посока, атмосферно налягане, хидротоплинни условия, валежи и слънчева радиация.

Измерване на скоростта на вятъра
Ключов измервателен параметър е хоризонталната скорост на вятъра. За целта се използват различни видове анемометри, като сред най-предпочитаните модели са чашковите и крилчатите. Основен конструктивен елемент на чашковите анемометри са полусферични чашки (три или четири на брой), въртящи се около вертикална ос. Принципът им на действие се основава на разликата между съпротивленията на въздуха при обтичане на вдлъбнатата и изпъкналата част на полусферичната чашка.
При крилчатите анемометри ролята на първичен приемник се изпълнява от пропелер. За разлика от чашковия анемометър, който се върти около вертикална ос, перпендикулярна на посоката на вятъра, крилчатият трябва да се постави успоредно на нея.
Приложение намират и ултразвуковите анемометри, познати още като акустични. С тях се определя както скоростта на потока, така и посоката му, на базата на ултразвукови вълни. За тази цел анемометърът е оборудван с две двойки ултразвукови преобразуватели, разположени едни срещу други.

Посока на вятъра
Посоката на вятъра се определя с помощта на ветропоказатели. Измерванията са от съществена важност за оптималното позициониране на ветрогенераторите. Съвременните модели ветропоказатели имат измервателен обхват от 0 до 360о, а при най-добрите от тях точността на измерване е ± 2 градуса. Сред работните характеристики на най-новите модели са устойчивост на вятър до 85 м/сек и широк температурен обхват (-50 оС + 80 оС), като някои от тях допълнително са подсигурени и с противообледенителна система. Освен върху измервателната мачта, използвана в предпроектното проучване на вятърните характеристики, ветропоказатели се монтират и върху ветрогенераторите, определяйки позиционирането на роторните лопатки. Въз основа на информацията от ветропоказателя, задвижващата предавка се обръща с помощта на двигателя за ъглово завъртане така, че лопатките да са обърнати срещу вятъра за максимална ефективност на преобразуването на енергията.

Плътност на енергийния поток
За определяне на ветровия потенциал се дефинира понятието плътност на енергийния поток, изчислена във W/m2. Плътността дава разполагаемата мощност на вятъра, пресичащ единица повърхност. Кинетичната енергия на вятъра е пропорционална на плътността на въздуха, т. е. масата му за единица обем (колкото по-тежък е въздухът, толкова повече енергия генерира турбината). При нормално атмосферно налягане и при температура от 15 оС, въздухът тежи около 1,225 килограма за кубичен метър. Плътността намалява бавно с нарастващата влажност, но се увеличава при ниски температури. Високо над морското равнище (в планините) атмосферното налягане е по-ниско, въздухът е по разреден и по-лек. От това плътността му става по-ниска и като цяло намалява и плътността на ветровата мощност.

Атмосферно налягане, температура и влажност
Данните за температурата, атмосферното налягане и влажността на въздуха имат съществено влияние върху точната оценка на вятърната енергия. Нормалните колебания на температурата и налягането могат да предизвикат вариации до 10% в очакваните стойности за енергопроизводителност на генераторите. Така например, разлика от 10 °C в температурата ще генерира разлика от около 4% в плътността на въздуха, и следователно, -в реализираните мощности. Температурните сензори обикновено се разполагат на височина най-малко 10 м над терена, за да се избегне влиянието на топлината, излъчвана от земята.

В зависимост от атмосферните условия въздушното налягане варира между 980 и 1050 hPa. От решаващо значение при измерването му е да се вземе предвид надморската височина, тъй като налягането на въздуха намалява при по-големи височини. На сушата спада с около 1 hPa на всеки 8 метра, което резултира в 10% по-ниско налягане на въздуха (вятърна енергия) в сравнение с налягането на въздуха в надморска височина от 800 м. Атмосферното налягане се измерва с барометри. Данните могат да бъдат получени и от близката метеорологична станция, но ако се вземат предвид разходите за въпросните анализи и включването на външни данни в хода на кампанията за измерване (най-малко 12 месеца), може би инсталирането на датчик за налягане на въздуха като част от измервателната система е по-добра алтернатива. За целта специалистите препоръчват инсталацията на пиезоелектрически барометри с широк измервателен обхват и съвременни експлоатационни характеристики.

За измерване на количеството валежи се използват уреди, наречени дъждомери. Стандартната им конструкция включва два еднакви цилиндъра с похлупак; събирателна фуния със същия отвор; чаша за стичане на водата от цилиндрите и специална стъклена мерилка. Дъждомерът се поставя на открито място, на височина 1 м над земята. През топлата част от годината дъждомерът се използва в пълен комплект, а през студените месеци чашата и фунията се прибират и се оставя само цилиндърът, за да може снегът да вали направо в него.

Плътността на слънчевия поток се измерва със специални сензори, наречени пиранометри, във ватове на квадратен метър. Стандартното измерване зависи от хоризонталния монтаж, който се контролира чрез вградения към сензора нивелир. Възможно е измерване и под други ъгли в зависимост от нуждите на изследването.