Introdução à monitorização da velocidade do vento para turbinas eólicas

Este é o 1 ^o de uma série de artigos que espero publicar nos próximos meses para qualquer pessoa que esteja a tentar descobrir um pouco mais sobre turbinas eólicas e o que as faz girar. Vou começar com pequenas turbinas eólicas e pontos muito básicos e pouco a pouco aumento a técnica e a complexidade da avaliação do local do vento que muitas vezes são o cerne da questão para os Analistas de Energia Eólica.

Estes artigos pretendem resumir as questões típicas que recebemos todos os dias dos utilizadores que nos contactam, ainda assim deve analisar este tema com a ajuda de um analista de vento. 

Quando pensar em instalar uma turbina eólica de pequeno porte na sua casa ou quinta, há algumas coisas que deve considerar, mas provavelmente o mais importante pode ser resumido em três pontos-chave:

• Altura
• Localização
• Tamanho da turbina eólica

  Altura

Esta é simples, quanto mais alta estiver a torre da turbina eólica, melhor. Quanto mais alta estiver, quanto menos obstáculos terá e por isso, haverá menos turbulência no vento e isto significa que irá obter velocidades de vento superiores

(Dados reais fornecidos por  Logic Energy Ltd)

Acima está uma comparação com dois anemómetros no mesmo mastro vento, um a 40 metros e o outro a 30 metros. O anemómetro a 40m mostra uma velocidade média do vento de 1 m / s mais do que um anemómetro a 30m.

Localização

Localização, localização, localização, como no mercado imobiliário este ponto é provavelmente uma das coisas mais importantes a considerar ao pensar na instalação de uma turbina eólica. Podemos estar numa área ventosa, mas o local que estamos a analisar pode estar rodeado de obstáculos como árvores, casas ou até mesmo cidades a poucas milhas de distância. Estas condicionantes podem ter um efeito indesejado e não apenas sobre o aumento das turbulências vento, mas também na própria velocidade do vento que poderia ser fortemente reduzida.

Como pode ver acima, quanto maior a altura do centro da turbina eólica e quanto melhor estiver localizada, menor será a turbulência no vento e o fluxo de vento será mais constante.

Tamanho da turbina eólica

Pense nas velas de um navio, quanto maior for a vela, maior a quantidade de vento capturada, consequentemente, recolhe mais energia. As turbinas de vento não são muito diferentes, quanto maior for o rotor, mais vento irá capturar.

Claro que existem técnicas e avanços técnicos para melhorar a eficiência na produção do vento mas é uma regra de ouro vale a pena ter em mente.

Última observação a fazer está relacionada com a localização, pois em certos locais onde o vento é muito tempestuoso ou turbulento, ou mesmo muito rápido, instalar uma turbina eólica com um grande rotor pode não ser a melhor solução e outras turbinas eólicas menores serão capazes de aproveitar o máximo dessas altas velocidades de vento.

O seu analista ou consultor de vento ou será capaz de o aconselhar sobre isso quando tiver recolhido medições de dados vento suficientes.

Planear o seu projeto de acompanhamento da velocidade do vento

Com estas três regras em mente, podemos olhar para o local “perfeito” para instalar uma turbina eólica mas antes disto, terá de acompanhar a velocidade do vento do seu local durante um período de tempo, quanto mais, melhor. Isto pode ser feito de formas diferentes, mas em geral, é aconselhável usar um dispositivo de registo de dados de vento profissional que para alem de gravar dados de vento, também irá fazer cálculos em tempo real com os dados para fornecer todas as informações relevantes para o analista de vento.

Algumas coisas para se familiarizar:

• Velocidade média, máxima e de desvio padrão do vento: Estas são geralmente dadas em períodos de 10 minutos.
  • Média: Esta é a velocidade média do vento durante um período de 10 minutos, geralmente dada em metros por segundo [m/s]
  • Máxima: Esta é a velocidade de vento máxima ou rajada medida durante os intervalos de 10 minutos
  • Desvio padrão: Esta é uma indicação da intensidade da turbulência do vento durante o intervalo de 10 minutos. Precisamos garantir que a “turbina eólica vai trabalhar com o vento e não contra ele”
• Direção do vento: vai precisar de saber de onde vem o vento na maior parte do tempo e a que velocidade.
• Mastro MET ou mastro de vento: Isto é usado por profissionais com sensores de anemómetros ou de vento montados. Os mastros não devem ter qualquer vibração ou “oscilação” pois irão afetar as leituras feitas pelo dispositivo de registo de dados de vento. Normalmente, um mastro vento terá vários sensores a diferentes alturas, para obter o melhor do vento do local. Coisas como a robustez da altura ou o cisalhamento do vento são muito importantes, mas também a temperatura e a pressão.
• Cisalhamento do vento: Isto é calculado medindo a velocidade do vento a diferentes alturas. Ao medir a alturas diferentes, podemos obter uma melhor compreensão da intensidade de turbulência, mas também o impacto sobre as velocidades do vento para alturas maiores. Isto também é frequentemente usado para “extrapolar” para alturas mais elevadas quando não é possível medir a altura do eixo da turbina eólica. Outro benefício de medição em diferentes alturas é o de manter as opções em aberto quando se trata de escolher diferentes turbinas eólicas.

(Exemplo de velocidade média, máxima e desvio padrão do vento no  LeSENSE, provided by Logic Energy Ltd)

Perguntas e respostas sobre o acompanhamento do vento

• Quanto tempo devo registar ou acompanhar os dados de vento?
  • Irá precisar de vários meses para tomar uma decisão informada. Idealmente nunca menos de 6 meses e recomenda-se um ano inteiro.
• Quando tiver todos os dados de vento pronto o que deve fazer?
• Idealmente deve deixar um analista de vento observar esses dados, para analisar se a velocidade do vento e o local são razoáveis.
• Envie para o seu fornecedor de energia eólica de eleição e estes serão capazes de dizer quanta energia deve esperar do seu local.
• Calcule a velocidade média do vento, isto irá dar uma ideia genérica da velocidade do vento do local.
  • De um modo geral, as turbinas de vento pequenas financiadas com fundos privados, apenas tornam-se interessantes acima dos 4m/s.
  • Se a turbina eólica for financiada pelo banco, irá precisar de velocidades de vento superiores a 6m/s
• Calcule distribuição de frequência, isto irá dar uma visão mais clara do perfil de vento do local através da distribuição ou divisão das diferentes velocidades do vento em seções.
  • Depois de saber quantas horas o vento soprou a diferentes velocidades (geralmente em bandas ou caixas de 1m/s) pode multiplicar estes valores pela curva de potência dada pelo fornecedor de turbinas eólicas. A soma de todos estes dados irá dar a energia que o seu local teria gerado se tivesse aquela turbina eólica no local.
• Na falta de outra coisa ... contacte-nos e iremos coloca-lo em contacto com um especialista.

(Distribuição de frequência usando LeSENSE, fornecido por Logic Energy Ltd)

Equipamento

• Os anemómetros, devem ser calibrados com um certificado possível de ser controlado. Com uma precisão melhor do que 1% e uma resolução de 0,1 m/s. É sempre recomendável usar pelo menos dois anemómetros.
• Leme de vento, de preferência um resolução de 1*
• Dispositivo de registo ou acompanhamento de vento:
  • Deve ser possível armazenar dados históricos. Parâmetros mínimos para a velocidade do vento:
    • Médio, máximo e desvio padrão da velocidade do vento
  • Direção do vento
  • Aconselhável para medir a temperatura e / ou pressão, humidade.
  • É aconselhável ter canais livres para equipamento de anemometria extra ou outros sensores 
  • Fonte de alimentação do dispositivo de registo ou de acompanhamento do vento.
    • Para curtos períodos de tempo, não há problema em usar pilhas alcalinas quando os dados podem ser recuperados com bastante frequência
    • Para períodos mais longos de tempo, é altamente recomendado para recuperar dados remotamente (ou seja: através GSM ou GPRS) e usar conjunto fotovoltaico para abastecer o dispositivo de acompanhamento de vento

  Perguntas e respostas mais genéricas

Porque preciso de um dispositivo de registo de vento ou de registar a velocidade do vento?

Ao tomar a decisão de comprar de uma turbina de vento e de não saber o perfil do vento exato do seu local, poderá ser um risco. Pequenos desvios das velocidades do vento medidas tão pequenas quanto 0,4 m/s podem converter-se em mais de £10,000 ao fim de 20-25 anos. Os analistas de vento e os bancos sabem de tudo isto, não é nenhum segredo, apenas a matemática e bons dados de vento.

Tenho verificado bases de dados de vento e o meu local tem uma boa/má velocidade média anual do vento. Isto é suficiente para tomar uma decisão?

Não, não é. Pequenos locais para turbinas eólicas são afetados pela complexidade da paisagem do local. Por vezes, uma boa velocidade média do vento de uma base de dados pode ter dados tao bons quanto os dados de vento reais, devido ao ambiente (árvores, casas, vales) e por vezes uma velocidade do vento média anual de uma base de dados, que não seja tao boa, pode resultar num local muito bom, devido às características individuais desse micro local (ou seja: alta altitude sobre a paisagem)

A “distribuição Weibull" e outras palavras extravagantes, o que são?

Quando tem uma velocidade média do vento e do perfil do vento de um local, então pode calcular um valor constante para usar no algoritmo de distribuição de Weibull. Isto permite produzir mais previsões de energia longo prazo. A chave aqui é que precisa de saber o parâmetro constante com que vai medir a velocidade do vento.

Exemplo com uma pequena turbina eólica

Vamos olhar para este gráfico, ambos pertencem ao mesmo. Um está a apresentar a probabilidade do vento baseado na distribuição de Weibull com k = 2 (padrão assumido pela indústria) e o outro apresenta com base em dados reais registados com o dispositivo de acompanhamento de vento  LeNETmobile Ambos com uma velocidade média do vento de 3.5 m/s.

O gráfico abaixo apresenta no eixo horizontal a velocidade do vento em metros por segundo e o eixo vertical apresenta a probabilidade do vento por velocidade do vento. No caso dos dados reais não há nenhuma probabilidade, apenas dados reais!!

Com as previsões de dados descobrimos que temos uma probabilidade de vento de 12% a 6m/s, mas com os dados reais, apenas mostra 6,5%. Estas parecem ser más notícias, mas veja o ponto mais alto da velocidade do vento: 10m/s, 12m/s, ... estas são o tipo de velocidades de vento em que as turbinas eólicas funcionam melhor, e têm a sua maior eficiência!!

Até aqui tudo bem, mas como relacionamos isto com a produção de energia?

Encontramos o número de horas em que o vento esteve a soprar a velocidades diferentes para ambos os conjuntos de dados (dados reais e Weibull). Com o número total de horas a diferentes velocidades de vento, colocamos em conjunto com a curva de potência típica fornecida por qualquer fabricante de turbinas eólicas, e encontramos valores muito diferentes:

Dados recolhidos (Dados reais): 1,492kWh num mês

Dados estimados usando Weibull: 1,086kWh num mês

Está a ver diferença entre conhecer os dados reais do seu local e fazer uma previsão? E neste caso, tem sido uma abordagem positiva, mas e se for ao contrário? E se estimamos mais energia do que está realmente disponível no local? Definitivamente vale a pena para conhecer o verdadeiro potencial do seu local antes de investir numa turbina de vento.

Mas... 1,500kWh por mês não é muito pois não?

Bom, tudo depende do tamanho da turbina de vento e do vento disponível no local. Este estudo foi realizado com uma turbina de vento muito pequena.