CalculatoareHărțiȚăriClasamenteComparațiiTehnologiiGhiduri Energy Explorer Parcuri solare și eoliene Glosar
Calculator · Energie eoliană

Viteza vântului la înălțime: extrapolare cu legea puterii și legea logaritmică

Transpune o viteză a vântului măsurată la orice înălțime între 0 și 200 m, atât cu legea puterii (Hellmann), cât și cu profilul logaritmic, și vezi cât câștigi în putere disponibilă urcând mai sus.

Link editabil de partajare Raport PDF personalizat Gratuit · fără cont

Rezultate

La 100 m, vântul are în jur de 6,9 m/s (legea puterii) sau 6,98 m/s (legea logaritmică), cu 38% mai mult decât la 10 m, adică aproximativ de 2,63× mai multă putere eoliană. În acest caz, cele două legi dau rezultate apropiate.
Viteza la 100 m (legea puterii)
6,9m/s
α = 0,14
Viteza la 100 m (legea logaritmică)
6,98m/s
z₀ = 0,03 m
Raportul vitezelor v₂/v₁
1,38
legea logaritmică 1,396
Câștig de putere eoliană (∝ v³)
2,63×
legea logaritmică 2,72×
α echivalent al profilului logaritmic
0,145
între cele două înălțimi ale tale
Viteza de frecare u*
0,353m/s
lege logaritmică neutră, κ = 0,41
Viteza în km/h
24,8km/h
15,4 mph · 13,4 noduri
Profilul vântului 0–200 m

Viteza vântului la înălțimi standard

Înălțime (m)Legea puterii (m/s)Legea logaritmică (m/s)Putere față de măsurătoare
23,993,610,51×
54,544,40,75×
10 (măsurat)551×
205,515,61,34×
305,835,951,59×
406,076,191,79×
506,266,391,97×
606,436,542,12×
806,696,792,39×
100 (țintă)6,96,982,63×
1207,087,142,84×
1407,237,273,03×
1507,317,333,12×
1607,377,393,2×
1807,497,493,37×
2007,617,583,52×
  • Ambele legi descriu profilul mediu neutru deasupra unui teren plat și omogen. Dealurile accelerează curentul pe creste (cu 10–40%), iar în nopțile stabile forfecarea poate fi mult mai pronunțată (α 0,3–0,5).
  • Regula practică de 1/7 (α = 0,143) provine de pe terenuri plate și deschise; pădurile și orașele au un α mult mai mare.

Cum funcționează calculatorul

Vântul încetinește aproape de sol din cauza frecării cu iarba, culturile, copacii și clădirile. Cu cât suprafața e mai rugoasă, cu atât stratul de jos e mai lent și creșterea vitezei cu înălțimea mai abruptă. Fenomenul se numește forfecarea vântului. Stațiile meteo măsoară la 10 m, dar turbinele se rotesc la 20 m (cele mici) până la 150 m (cele din parcurile mari), așa că transformarea vitezei măsurate în viteză la înălțimea butucului este primul pas în orice evaluare eoliană.

Calculatorul aplică în paralel cele două modele standard pe tot profilul de 0–200 m:

  • legea puterii (Hellmann), controlată de un singur exponent de forfecare α;
  • legea logaritmică, controlată de lungimea de rugozitate a suprafeței z₀ și, deasupra vegetației înalte, de o deplasare a planului zero d.

Alege o clasă de teren ca să încarci valorile potrivite pentru α și z₀ sau introdu-le pe ale tale. Opțiunea de stabilitate scalează α pentru condiții instabile (după-amiază însorită) sau stabile (noapte senină), ca să vezi intervalul prin care trece un amplasament real.

Formulele

Legea puterii: v₂ = v₁ × ((h₂ − d) / (h₁ − d))^α Legea logaritmică: v₂ = v₁ × ln((h₂ − d) / z₀) / ln((h₁ − d) / z₀)

Viteza de frecare: u* = κ × v₁ / ln((h₁ − d) / z₀), κ = 0.41 Raportul puterilor: P₂ / P₁ = (v₂ / v₁)³

α-ul echivalent al unui profil logaritmic între două înălțimi este ln(v₂/v₁) / ln(h₂/h₁); de aici se vede că α nu e o constantă care ține doar de teren, ci depinde și de înălțimile alese.

Exemplu de calcul: de la datele unei stații meteo la un butuc la 100 m

Cazul implicit pornește de la o citire a anemometrului la 10 m de 5,0 m/s, pe teren deschis și plat (z₀ = 0,03 m, α = 0,14), și o extrapolează la 100 m.

  • Legea puterii: 5,0 × (100/10)^0,14 = 6,90 m/s
  • Legea logaritmică: 5,0 × ln(100/0,03) / ln(10/0,03) = 6,98 m/s

Cele două diferă cu circa 1%. Vântul e cu 38% mai rapid la înălțimea butucului, iar cum puterea crește cu cubul vitezei, un rotor la 100 m primește de circa 2,6 ori densitatea de putere a unuia de la 10 m. Schimbă terenul pe suburbii/pădure, iar aceiași 5 m/s de la 10 m devin peste 9 m/s la 100 m cu legea puterii. Măsurătorile făcute aproape de sol, pe teren accidentat, sunt foarte greu de extrapolat în mod sigur.

Cum citești rezultatele

  • Viteza la înălțimea țintă arată estimările celor două modele. O diferență mare înseamnă că înălțimea de măsurare e prea mică față de rugozitate sau că terenul e prea complex pentru oricare dintre formule.
  • Câștigul de putere al vântului arată de câte ori mai multă putere transportă vântul la înălțimea țintă. Aceasta este cifra care justifică un turn mai înalt.
  • Viteza de frecare u* este scara turbulenței din stratul de suprafață, folosită în meteorologia stratului limită și în modelele de dispersie.
  • Graficul profilului arată ambele legi de la sol până la 200 m, plus câștigul de putere pe axa din dreapta.

Valori tipice

Teren Lungime de rugozitate z₀ Exponent de forfecare α v(100 m) / v(10 m)
Larg de mare, lacuri 0,0002 m 0,10 1,25
Pajiște deschisă și plată 0,03 m 0,14 1,38
Teren agricol cu garduri vii 0,1 m 0,18 1,51
Copaci și clădiri răzlețe 0,4 m 0,24 1,74
Suburbii, pădure 1,0 m 0,30 2,00
Centru de oraș 2,0 m 0,38 2,40

IEC 61400-1 folosește α = 0,2 drept „profil normal al vântului” pentru sarcinile de proiectare ale turbinelor; în proiectarea offshore se folosește 0,14.

Sfaturi pentru o extrapolare mai bună

  • Măsoară la două înălțimi. Un α obținut de la două anemometre de pe același pilon (de exemplu la 40 m și 60 m) e mult mai sigur decât o estimare după clasa de teren.
  • Nu te îndepărta prea mult. O extrapolare la de 2–3 ori înălțimea de măsurare e rezonabilă; la de 10 ori e o ghicitoare. Pentru un proiect mare, un pilon de 60 m sau o campanie LiDAR bat orice formulă.
  • Folosește Global Wind Atlas la 50 sau 100 m în locul datelor de la 10 m, unde se poate, și extrapolează apoi doar pe diferențe mici de înălțime.
  • Ține cont de obstacole. Pe o distanță de circa 20 de ori înălțimea obstacolului, în aval de o clădire sau de un șir de copaci, curgerea e perturbată și niciuna dintre legi nu se aplică.
  • Folosește rezultatul în calculatorul densității de putere a vântului sau în calculatorul pentru turbine eoliene, în modul manual.

Limitări

Ambele legi descriu un strat de suprafață uniform pe orizontală și stratificat neutru. Nu surprind accelerarea vântului peste dealuri și creste (adesea 10–40% pe creste), canalizarea prin văi, circulațiile de briză marină, curenții-jet de joasă altitudine sau forfecarea puternică din nopțile cu atmosferă stabilă, dincolo de scalarea simplă oferită aici. Peste circa 150–200 m, stratul de suprafață face loc stratului Ekman, unde și direcția vântului se rotește cu înălțimea. Pentru terenurile complexe, folosește modele de curgere (WAsP, CFD) calibrate cu măsurători din amplasament.

Metodă și ipoteze

Legea puterii (Hellmann): v₂ = v₁ · ((h₂ − d)/(h₁ − d))^α. Legea logaritmică: v₂ = v₁ · ln((h₂ − d)/z₀) / ln((h₁ − d)/z₀). α și z₀ vin din clasa de teren (sau din valorile tale); opțiunea de stabilitate scalează α (×0,7 instabil, ×1,6 stabil), iar legea logaritmică afișată corespunde profilului neutru. Viteza de frecare u* = κ·v₁ / ln((h₁ − d)/z₀), cu κ = 0,41. Câștigul de putere este (v₂/v₁)³, pentru că puterea vântului e proporțională cu cubul vitezei.

Întrebări frecvente

Cum calculezi viteza vântului la altă înălțime?
Folosește legea puterii v₂ = v₁ × (h₂/h₁)^α, unde α este exponentul de forfecare (circa 0,14 pe teren deschis și plat, 0,2–0,3 pe terenuri agricole cu copaci, 0,3–0,4 deasupra orașelor și pădurilor), sau legea logaritmică v₂ = v₁ × ln(h₂/z₀) / ln(h₁/z₀), cu lungimea de rugozitate z₀. Calculatorul le afișează pe amândouă.
Ce este legea puterii 1/7?
Este regula practică clasică α = 1/7 ≈ 0,143 pentru aer neutru deasupra unui teren deschis, plat și înierbat. Pentru o primă estimare pe un astfel de teren e în regulă, dar subestimează forfecarea pe terenurile accidentate și noaptea și o supraestimează deasupra mării (α ≈ 0,10).
Cu cât e mai rapid vântul la 100 m decât la 10 m?
Pe teren deschis și plat, cu aproximativ 35–40% mai rapid (α ≈ 0,14), pe terenuri agricole cu garduri vii cu 50–60%, iar deasupra suburbiilor sau pădurilor cu peste 80%. Cum puterea crește cu cubul vitezei, puterea disponibilă la 100 m este de regulă de 2,5–6 ori mai mare decât la 10 m.
Ce e mai bun: legea puterii sau legea logaritmică?
Legea logaritmică are o bază fizică (teoria stratului de suprafață) și este preferată aproape de sol, pe terenuri cu rugozitate cunoscută. Legea puterii e mai simplă și, cu un α măsurat la două înălțimi pe același pilon, se potrivește adesea mai bine pe intervalul de 40–150 m al turbinelor eoliene. Ambele presupun stabilitate neutră și un teren plat și uniform.
Ce lungime de rugozitate să folosesc?
Valori tipice: larg de mare 0,0002 m, iarbă cosită sau câmpie deschisă 0,03 m, teren agricol cu garduri vii răzlețe 0,1 m, copaci și clădiri răzlețe 0,4 m, suburbii sau pădure 1 m, centre de oraș 2 m sau mai mult. Deasupra pădurilor dese folosește deplasarea planului zero d (circa două treimi din înălțimea coronamentului).
De ce se schimbă forfecarea vântului între zi și noapte?
Ziua, solul încălzește aerul și produce convecție, care amestecă aerul rapid de sus cu cel de jos, iar profilul se aplatizează (α mic). În nopțile senine solul se răcește, aerul se stratifică și straturile se decuplează, așa că vântul poate fi calm la sol, dar puternic la înălțimea butucului (α de 0,3–0,5 sau mai mult).

Surse și referințe

  1. Manwell, J.F., McGowan, J.G., Rogers, A.L.: Wind Energy Explained: Theory, Design and Application, 2nd ed., Wiley (cap. 2, forfecarea vântului)
  2. Troen, I. & Petersen, E.L. (1989). European Wind Atlas. Risø National Laboratory
  3. Global Wind Atlas (DTU / World Bank): viteza medie a vântului la 10, 50, 100, 150 și 200 m
  4. IEC 61400-1: Wind energy generation systems: Design requirements (profilul normal al vântului, α = 0,2)

Integrează acest calculator

Gratuit pentru bloguri, instalatori, școli și ONG-uri. Copiază codul de mai jos; se actualizează singur.