Analiza produktywności, czyli oszacowanie rocznej produkcji energii elektrycznej farmy wiatrowej, stanowi podstawę badania opłacalności całego przedsięwzięcia i podjęcia decyzji inwestycyjnej – zakupu projektu lub rozpoczęcia budowy farmy.

Analiza produktywności farm wiatrowych wykonywana jest według następujących etapów:
1. Analiza przeprowadzonej kampanii pomiarowej.
2. Odtworzenie klimatu krótkoterminowego dla okresu, w którym kampania pomiarowa była przeprowadzona.
3. Korelacja surowych danych z referencyjnymi danymi długoterminowymi oraz odtworzenie klimatu długoterminowego.
4. Oszacowanie rocznej produkcji energii elektrycznej P50, czyli produkcja oszacowana z prawdopodobieństwem 50% wystąpienia, z uwzględnieniem orografii (ukształtowania terenu), szorstkości terenu (rodzaju terenu) oraz efektu wzajemnego zasłaniania się turbin wiatrowych.
5. Wyznaczenie rocznej produkcji energii P50 netto z uwzględnieniem wszystkich strat związanych z warunkami lokalnymi oraz pracą turbiny wiatrowej.
6. Wyznaczenie wartości rocznej produkcji energii elektrycznej przy rożnych stopniach prawdopodobieństwa np. P90, P75.
W Polsce, realizacja zadania rozpoczyna się od analizy wyników kampanii pomiarowej wiatru, wykonywanej za pomocą masztu pomiarowego, na którym zamontowane są m.in. anemometry, czujniki kierunku wiatru, czujnik ciśnienia czy czujnik temperatury. Przyrządy te są wcześniej kalibrowane przez uprawnione instytucje. Producenci przyrządów pomiarowych zalecają ich kalibrację lub wymianę co najmniej raz na 2 lata.
Wyżej wymienione przyrządy pomiarowe montowane są na rożnych wysokościach. Początkowo kampanie pomiarowe wykonywano na masztach o wysokości 50–60 m, z czasem 80–100 m, obecnie nawet do 120 m. Dla określenia jak najbardziej realnego klimatu wietrzności, wysokość masztu pomiarowego powinna wynosić minimum 2/3 wysokości wieży turbiny wiatrowej projektowanej farmy wiatrowej.
Wynikiem tak przeprowadzonej kampanii pomiarowej są 10-minutowe surowe dane wiatrowe z wysokości, na których zamontowane zostały przyrządy pomiarowe. Kampanię pomiarową można wykonać również za pomocą urządzeń: SODAR – pomiar prędkości wiatru za pomocą dźwięku oraz LIDAR – pomiar prędkości wiatru za pomocą lasera. Podobnie jak w przypadku masztu pomiarowego, wynikiem tak przeprowadzonej kampanii pomiarowej są 10-minutowe dane wiatrowe z wysokości: 40 m, 50 m, 60 m, 80 m, 100 m, 120 m, 140 m, 160 m, 180 m, 200 m. Przewagą zastosowania urządzeń SODAR lub LIDAR z masztem pomiarowym jest zmniejszenie niepewności związanych z gradientem rozkładu prędkości wiatru na wysokości wież projektowanej farmy wiatrowej. Surowe 10-minutowe dane wiatrowe służą do odtworzenia lokalnego klimatu wietrzności dla projektowanej farmy wiatrowej.

Analizę produktywności, w tym odtworzenie klimatu, można wykonać za pomocą specjalistycznych programów, takich jak: WindPRO, WindFarmer lub innych zintegrowanych z programem WAsP. Odtworzenie krótkoterminowego klimatu polega na właściwym wyselekcjonowaniu surowych danych z kampanii pomiarowej, przedstawionych za pomocą parametrów Weibulla (A i k) dla wysokości, na których zamontowano przyrządy pomiarowe.

roza wiatrów farma wiatrowa

Następnie, bazując na wyżej opisanych danych, rekonstruuje się klimat wietrzności na wysokości wieży projektowanych turbin wiatrowych. Można wykonać to na dwa sposoby: bezpośrednio za pomocą programu WAsP lub metodą ekstrapolacji gradientu rozkładu prędkości. Przy odtwarzaniu klimatu wietrzności należy pamiętać o efekcie sezonowym. Okres zimowy charakteryzuje się lepszymi warunkami wietrznymi niż okres letni. Do analiz zaleca się więc wykorzystywać pełne okresy pomiarowe. Zalecane minimum to jeden pełny rok kalendarzowy.

Kolejnym etapem analizy produktywności jest korelacja surowych danych z referencyjnymi danymi długoterminowymi oraz odtworzenie lokalnego klimatu długoterminowego. Obserwacje ostatniego trzydziestolecia wskazują, że wietrzność ulegała znacznym zmianom. Na początku lat dziewięćdziesiątych prędkość wiatru była znacznie większa niż w ostatnim dziesięcioleciu, które charakteryzuje się spadkiem wietrzności. Ostatnie lata pokazują jednak tendencję wzrostową prędkości wiatru. Na chwilę obecną trudno jest ocenić, jak zmieni się klimat i jak globalne ocieplenie wpłynie na wietrzność w przyszłości. Do korelacji długoterminowych najczęściej stosuje się okres ostatniego dziesięciolecia.

Problem emisji hałasu związany jest ze zbyt małą odległością turbin wiatrowych od zabudowy i jest uzależniony od ilości turbin, ich mocy, wysokości wieży itp. W przypadku, kiedy poszczególne turbiny wiatrowe przekraczają dopuszczalne poziomy emisji hałasu, konieczna jest redukcja mocy danej turbiny (turbin) lub jej całkowite wyłączenie. Skutkiem takiego działania jest obniżenie rocznej produkcji energii elektrycznej. Dostawcy turbin wiatrowych dla danego typu turbiny wiatrowej oferują nominalną krzywą mocy z maksymalnym poziomem emisji hałasu oraz zredukowane krzywe mocy z rożnymi poziomami emisji hałasu, adekwatnymi do zapewnienia emisji dopuszczalnego poziomu hałasu dla danych warunków środowiskowych

Rafał Szkutnik Tractebel Engineering S.A. (GDF SUEZ)

Cały artykuł w numerze GLOBEnergia 5/2014
okładka 5 2014