Introduzione al monitorizzatore della velocità del vento per turbine eoliche

Questo è il 1^o di una serie di articoli che spero di pubblicare nei prossimi mesi dedicato a tutti quelli che vogliono sapere di più sulle turbine eoliche e ciò che le fa funzionare. Inizierò dagli aerogeneratori di piccola taglia e i punti base, per aumentare poco a poco la complessità e tecnicità in merito alla valorazione dei siti del vento che è spesso il pane quotidiano degli analisti dell'energia eolica.

Questi articoli cercano di riassumere domande tipiche che riceviamo tutti i giorni dagli utenti che ci contattano ma che non implicano in nessun modo il fatto che tu non debba ricorrere all'assistenza di un analista del vento.

Quando si pensa di installare una piccola turbina eolica a casa o nella propria fattoria, ci sono alcune cose da tenere in considerazione, ma probabilmente le più importanti si possono riassumere in tre punti chiave:

• Altezza
• Location
• Grandezza della turbina eolica

Altezza

È semplice: quanto più alta la torre della turbina eolica, meglio è. Quanto più alta, meno ostacoli ci siano e quindi meno turbolenza, di solito significa una maggiore velocità del vento

(Dati reali forniti da Logic Energy Ltd)

Qui sopra si mostra il confronto con due anemometri sullo stesso albero eolico, uno a 40 metri e l'altro a 30 metri. L'anemometro a 40 m mostra una velocità media del vento di 1 m/s in più rispetto a quello a 30 m.

Location

Location, location, location, come nel mercato immobiliare è probabilmente una delle cose più importanti da considerare quando si pensa ad installare una turbina eolica. Possiamo trovarci in un'area ventosa ma la zona in particolare che prendiamo in considerazione potrebbe essere circondata da ostacoli quali: alberi, case o addirittura città a pochi chilometri di distanza. Questi potrebbero avere un effetto indesiderato non solo per l'aumento delle turbolenze del vento ma anche della velocità del vento stesso che potrebbe essere notevolmente ridotta.

Come potete vedere sopra, quanto maggiori sono l'altezza del mozzo della turbina eolica e la posizione della turbina, tanto minori sono le turbolenze del vento e più costante il suo flusso.

Dimensione della turbina eolica

Pensa alle vele di una nave, più sono grandi e più vento riescono a catturare; quindi maggior energia producono. Le turbine eoliche non sono molto differenti, più grande è il rotore, più vento potranno catturare.

Naturalmente, ci sono tecniche atte ad aumentare l'efficienza del vento in uscita, ma si tratta di una regola generale da tenere in mente.

Ultimo punto da trattare qui riguarda le location; in certe aree ventose e ricche di turbolenze, o con vento molto forte, la miglior soluzione non è quella di installare una turbina eolica con un rotore molto grande; turbine più piccole possono sfruttare maggiormente quest'alta velocità del vento.

Ol tuo analista del vento, o consulente, sarà in grado di suggerirti la soluzione migliore una volta raccolti sufficienti dati di misurazione rispetto al vento.

Organizzando il tuo progetto di monitorizzazione della velocità del vento

Con queste tre regole in mente, possiamo pensare al luogo perfetto dove installare una turbina eolica, ma prima di questo devo monitorizzare la velocità del vento nel tuo sito durante un certo periodo di tempo; quanto più lungo meglio è. Ciò può essere fatto in differenti modi, ma in generale è consigliabile usare un wind logger professionale che non registrerà solo i dati del vento ma effettuerà anche calcoli in tempo reale per fornire tutte le informazioni più rilevanti all'analista del vento.

Alcuen cose con cui prendere confidenza:

• Deviazione media, massima e standard della velocità del vento: Sono valori che vengono normalmente presi in considerazione in periodi di 10 minuti.
  • Media: Si tratta della velocità media del vento nei dieci minuti di tempo, normalmente espressa in metri per secondo [m/s]
  • Masimma: Si tratta della velocità massima del vento raggiunta durante i 10 minuti di intervallo
  • Deviazione standard: Si tratta di un'indicazione dell'intensità della turbolenza del vento durante i 10 minuti di intervallo. Dobbiamo essere sicuri che “la turbina eolica lavori con il vento a favore e non contrario”
• Direzione del vento: devi sapere da che parte tira il vento nella maggior parte dei casi e a che velocità.
• Palo MET e palo vento: Viene usato dai professionisti con anemometro o sensore del vento installato su di essi. I pali devono essere privi di qualsiasi vibrazione o “barcollo” poichè possono avere conseguenze sulle letture rilevate dal wind logger. Di solito un palo del vento ha differenti sensori a varie altezze in modo da ottenere il massimo dal vento del sito. Cose come la lunghezza o wind shear sono molto importanti, ma anche la temperatura e la pressione.
• Wind shear: Viene calcolata misurando la velocità del vento a differenti altezze. Misurando a differenti altezze possiamo avere una comprensione maggiore rispetto all'intensità della turbolenza ma anche in merito all'impatto sulla velocità del vento ad altezze superiori. Viene anche spesso usato per “rilevare” ad altezze maggiori quando la rilevazione a livello del mozzo non è possibile. Alcuni altri benefici della misurazione a diverse altezze è quella di mantenere aperte le opzioni nel momento di dover scegliere tra differenti turbine eoliche.

(Esperio di massima, media e deviazione standard del vento su LeSENSE, offerto da Logic Energy Ltd)

Wind monitoring Q&A

• Per quanto tempo devo monitorizzare i dati del vento?
  • Hai bisogno di molti mesi per prendere una decisione. Idealmente non meno di sei mesi, e fino ad un anno è ancora più consigliabile.
• Quando hai tutti i dati del vento pronti cosa ne dovresti fare?
• La cosa migliore è quella di chiedere ad un analista del vento di valutarli, almeno per stabilire se la velocità del vento è ragionevole e il sito promette bene.
• mandali al tuo fornitore di turbine eoliche di fiducia, ti saprà dire quanta energia eolica puoi aspettarti dal tuo sito.
• Calcola la velocità media del vento; ti darà un'idea generica di quanta energia eolica ti puoi aspettare dal tuo sito.
  • In generale per piccole turbine eoliche che avranno uso privato, le cose iniziano ad essere interessanti a partire dai 4m/s.
  • Se la turbina eolica è ad uso esteso avrai bisogno di una velocità del vento minima di 6m/s
• Calcola la frequenza di distribuzione, ti darà una visione più precisa del profilo del vento del sito, distribuendo o dividendo le differenti velocità del vento in sezioni.
  • Una volta rilevate quante ore il vento ha soffiato a differenti velocità (di solito in fasce da 1m/s) puoi moltiplicare il dato attraverso la curva di energia provvista dal fornitore della turbina. La somma dei dati ti farà capire l'energia eolica che nel tuo sito si sarebbe generata installando quella turbina in situ.
• Ancora dubbi… contattaci e ti metteremo in contatto con uno specialista.

(Grafico di distribuzione di frequenza utilizzando LeSENSE, fornito da Logic Energy Ltd)

Attrezzature

• Gli anemometri, devono essere calibrati con un certificato tracciabile. Con un'accuratezza migliore dell'1% ed una risoluzione di 0.1m/s. È sempre consigliabile utilizzare almeno due anemometri.
• Banderuola, meglio se con risoluzione 1*
• Wind logger o monitor:
  • Dovrebbe essere in grado di registare uno storico dei dati. Per la velocità del vento almeno i seguenti parametri:
    • Deviazione del vento minima, massima e standard
  • Direzione del vento
  • Consigliabile misurare la temperatura e/o la pressione, l'umidità.
  • Consigliabile avere canali liberi per anemometri extra o altri sensori
  • Fornitura d'energia per wind logger o il monitor.
    • Per brevi periodi di tempo è sufficiente usare batterie alcaline quando i dati possono essere raccolti abastanza frequentemente
    • Per periodi di tempo più lunghi si raccomanda di raccogliere i dati a distanza (per es. attraverso GSM o GPRS) e di usare un kit fotovoltaico

Domande più generiche

Quando ho bisogno di un wind logger o di registrare la velocità del vento?

Prendere la decisione di acquistare una turbina eolica senza conoscere l'esatto profilo del vento del sito dove la vuoi installare è decisamente azzardato. Piccole deviazioni sulla misura della velocità del vento anche pari unicamente a 0.4m/s posson rappresentare nel corso di 20-25 anni più di £10,000 della tariffa di immissione. Gli analisti e le banche lo sanno bene, non è un segreto, solo matematica ed un buon uso dei dati.

Ho controllato il database del vento e risulta che il mio sito ha una velocità del vento buona/cattiva annuale. ê sufficiente per prendere una decisione?

No, non lo è. La performance individuale di una turbina eolica è influenzata dalla complessità del paesaggio. A volte una buona velocità media del vento estratta da un database può dare risultati non del tutto reali a causa delle condizioni del suo intorno (alberi, case, valli) e altre volte una media annuale della velocità del vento non cosí buona può trasformarsi in un sito ottimo considerate le caratteritiche del micro sito (per es. una buona elevazione rispetto al paesaggio)

“Distribuzione Weibull" e altre parole sconosciute, che cosa sono?

Quando sei in possesso una velocità del vento media e del profilo del vento, in seguito puoi calcolare un valore cosntante da usare su un algoritmo di distribuzione Weibull. Ciò permette di prevedere più energia a lunga durata. La chiave sta nello scoprire il parametro costante dei micro siti in relazione alla misurazione della velocità del vento.

Esempio con una piccola turbina eolica

Diamo un'occhiata a questo grafico, entrambi appartenenti allo stesso sito. Uno mostra la probabilità del vento basata sulla distribuzione Weibull con k=2 (che è ciò che gli standard industriali suggeriscono) e l'altro basato su dati reali rilevati con il LeNETmobile wind data monitor. Entrambi mostrano una media della velocità del vento di 3.5 m/s.

Il grafico qui sotto mostra sull'asse orizzontale la velocità del vento in metri per secondi e sull'asse verticale la probabilità del vento per velocità del vento. Nel caso dei dati reali non esiste probabilità, ma solo dati autentici!!

Con i dati di probabilità vediamo che abbiamo un 12% di possibilità che il vento soffi a 6m/s ma con il dato reale, si mostra solo un 6.5%. In un primo momento possono sembrare brutte notizie, ma guarda il dato più alto della velocità del vento: 10m/s, 12m/s, ... si tratta del tipo di vento con cui in generale le turbine eoliche lavorano meglio, e sono maggiormente efficaci!!

Fin qui tutto bene, ma come è correlato tutto ciò alla produzione di energia?

Rileviamo il numero di ore che il vento ha soffiato a differenti velocità per ogni set di dati (Real data e Weibull). Con il numero totale di ore a differenti velocità, possiamo metterle insieme alla tipica curva di energia fornita da qualsiasi produttore di turbine eoliche, e scopriremo valori molto differenti:

Dati raccolti (dati reali): 1,492kWh in un mese

Data stimata utilizzando Weibull: 1,086kWh in un mese

La vedi la differenza tra conoscere i dati del tuo sito piuttosto che ipotizzarli?In questo caso è stato un approccio positivo, ma se fosse il contrario? Cosa succederebbe se stimassimo una produzione maggiore di energia nel sito rispetto a quella disponibile realmente? In poche parole, vale la pena conoscere il vero potenziale del sito prima di acquistare una turbina eolica.

Ma... 1,500kWh al mese non è molto, vero?

Beh, tutto dipende dalla grandezza della turbina e del vento a disposizione nel sito. Questo studio è stato fatto con una turbina eolica molto piccola.