Větrné podmínky v České republice ve výšce 10 m nad povrchem I
Pro výpočet pole průměrné rychlosti větru ve výšce 10 m nad povrchem byl použit stejný postup a stejná vstupní data, jako pro „větrnou mapu“ ve výšce 100 m nad zemí. Výsledná větrná mapa je syntézou výpočtu tří modelů dlouhodobě používaných na Ústavu fyziky atmosféry AV ČR: VAS, WAsP a PIAP.
Abstrakt
Zatímco aktuální mapa průměrné rychlosti větru na úrovni 100 m nad zemským povrchem odpovídající výšce velkých větrných elektráren byla vytvořena a zveřejněna v letech 2007 - 2008, pro menší výšky nad zemí byly dosud k dispozici pouze méně přesné starší podklady. Tuto mezeru vyplňuje předkládaný článek a s ním související nově publikovaná mapa rychlosti větru ve výšce 10 m. Diskutovány jsou i další důležité aspekty větrných podmínek na území ČR, které nelze ze samotné "větrné mapy" odečíst. Dosažený výsledek může být užitečným podkladem například pro zájemce o výstavbu malých větrných elektráren.
Pro výpočet pole průměrné rychlosti větru ve výšce 10 m nad povrchem byl použit stejný postup a stejná vstupní data, jako pro „větrnou mapu“ ve výšce 100 m nad zemí. Výsledná větrná mapa je syntézou výpočtu tří modelů dlouhodobě používaných na Ústavu fyziky atmosféry AV ČR: VAS, WAsP a PIAP.
1. Úvod
Snaha o plošné zmapování větrných podmínek na území České republiky za účelem zjištění klimatologického potenciálu pro výstavbu větrných elektráren se datuje přibližně od počátku 90. let minulého století. Tímto tématem se zabývala zejména skupina kolem RNDr. Josefa Štekla na Ústavu fyziky atmosféry AV ČR [1, 2, 3, 4]; v rámci systematického mapování klimatických charakteristik našeho území však byly větrné podmínky mapovány i v rámci Českého hydrometeorologického ústavu (např. [5]). V průběhu času bylo různými metodami a na základě různých podkladových dat vytvořeno hned několik generací „větrných map“, viz např. souhrnný přehled [6].
Zatím posledním a zřejmě i nejpřesnějším výsledkem byl výpočet pole průměrné rychlosti větru na území ČR provedený v roce 2007 [7]. Zatímco však předchozí „větrné mapy“ byly počítány primárně ve výšce 10 m nad povrchem, tedy v typické výšce vstupních meteorologických měření, poslední výpočet byl cílen do výšky 100 m nad zemským povrchem, do výšky relevantní pro výstavbu velkých větrných elektráren.
Přestože výška 100 m nad povrchem byla vhodně zvolená pro původní účel, ukázalo se, že existuje nezanedbatelný zájem taktéž o relevantní data v menších výškách nad zemí, mimo jiné za účelem přibližného odhadu větrných podmínek pro malé větrné elektrárny. Z toho důvodu jsme se nyní rozhodli dopočíst a publikovat také „větrnou mapu“ v tradiční výšce 10 m.
2. Výpočet větrné mapy ČR pro výšku 10 m
2.1 Modely pro simulaci větrných podmínek
Pro výpočet pole průměrné rychlosti větru ve výšce 10 m nad povrchem byl použit stejný postup a stejná vstupní data, jako pro výpočet ve výšce 100 m nad zemí. Výsledná větrná mapa je syntézou tří výpočetních přístupů dlouhodobě používaných na Ústavu fyziky atmosféry AV ČR: metody VAS, modelu a programu WAsP a modelu PIAP, z nichž první dva jsou kombinovány v rámci tzv. hybridního modelu VAS/WAsP:
Metoda VAS byla vyvinuta v letech 1994–1995 na Ústavu fyziky atmosféry AV ČR. Je založena na trojrozměrné interpolaci průměrných hodnot rychlosti větru (či jiných parametrů) naměřených v síti meteorologických stanic. Zvolený interpolační postup zohledňuje obvyklý nárůst rychlosti větru s nadmořskou výškou, neumožňuje však podrobnější zohlednění místních podmínek v okolí měřící stanice a cílového bodu.
Model WAsP byl vytvořen institutem RISO (Dánsko) speciálně pro potřeby větrné energetiky. Jedná se o široce rozšířený model a na něj navázaný software, zaměřený na detailní přepočet větrných poměrů mezi místem měření větru a blízkými větrnými elektrárnami. Výhodou modelu WAsP je jeho vysoké prostorové rozlišení a realistický výpočet vertikálního profilu větru. Při větší vzdálenosti mezi místem měření a cílovým bodem je však použití tohoto modelu problematické, pokud se místa nacházejí ve složitém terénu či v podstatně rozdílných nadmořských výškách.
Z tohoto důvodu byl sestaven tzv. hybridní model VAS/WAsP, který využívá předností předchozích dvou přístupů. Model WAsP je zde použit pro vyhodnocení vlivu místních podmínek v místě měření a v cílovém bodě, metoda VAS pak umožňuje interpolovat zobecněné větrné poměry z míst měřících stanic do prostoru cílového bodu. Finální výpočet modelu WAsP bylo možno automatizovat a provést tak plošný výpočet v detailním rozlišení pro celé území ČR.
Model PIAP je dynamický model proudění v mezní vrstvě atmosféry dlouhodobě vyvíjený na Ústavu fyziky atmosféry AV ČR. Ve srovnání s předchozími modely zahrnuje dokonalejší popis fyzikální reality, daní za tento přístup je však jeho vyšší výpočetní náročnost, která umožňuje - vůči vysokým požadavkům větrné energetiky – jen relativně hrubé prostorové rozlišení.
2.2 Vstupní data
Přesnost dosažených výsledků je vedle přesnosti samotných modelů určena také kvalitou vstupních meteorologických a geografických dat a správným způsobem jejich použití.
Na rozsah meteorologických dat je obzvláště náročný model VAS/WAsP, který vyžaduje relativně vysoký počet míst s měřením větru a není tedy možno se zde omezovat na malý počet nejkvalitnějších meteorologických stanic. Pro možné využití v tomto modelu bylo proto zkoumáno co nejširší spektrum větroměrných dat, a to i z některých dříve nedostupných či opomíjených zdrojů (stanice automatizovaného imisního monitoringu (AIM), měřící stožáry). Dostupná měření byla podrobena důkladnému zhodnocení, neboť z řady různých důvodů (umístění senzorů, poloha stanice, překážky v okolí stanice, kvalita dat) zdaleka ne všechna měření je možné použít jako vstup do modelu. Za tímto účelem byla mimo jiné provedena osobní návštěva a fotodokumentace řady měřících míst a jejich okolí.
Ve výsledku bylo ve výpočtu modelu VAS/WAsP použito:
- 31 ze 40 dostupných meteorologických stanic s profesionální obsluhou
- 17 ze 71 dostupných automatických stanic INTER
- 6 z 36 uvažovaných stanic AIM
- 24 ze 40 dostupných dočasných měřících stožárů.
Pro výpočet modelu PIAP v principu postačuje jediný referenční bod pro celé území České republiky. Vzhledem k tomu, že i u tohoto modelu se ve větších vzdálenostech zvyšuje úroveň chyby, byl výpočet pro celé území ČR proveden nezávisle na sobě podle několika referenčních stanic. Celkem byl výpočet proveden pro 5 referenčních bodů, kterými jsou profesionální meteorologické stanice Kocelovice, Praha-Ruzyně, Přibyslav, Dukovany a Mošnov.
Geografickými podklady pro výpočet pole větru byly v obou případech:
- digitální model reliéfu DMÚ25 s digitálními vrstevnicemi po 5 m
- parametr drsnosti povrchu odvozený z mezinárodní klasifikace pokrytí povrchu (land-cover) CORINE
2.3 Finální výpočet větrné mapy
Plošný výpočet větrných podmínek byl nejprve proveden nezávisle na sobě modely VAS/WAsP a PIAP. Výpočet modelu VAS/WAsP byl proveden v síti s krokem 100 m, model PIAP s krokem 600 m. Výsledek modelu PIAP byl definován jako kombinace výsledků pro jednotlivé referenční stanice, jejich váha byla úměrná převrácené hodnotě druhé mocniny vzdálenosti referenčních stanic od počítaného bodu.
Vzhledem k tomu, že dle našich zjištění vykazují modely PIAP a VAS/WAsP několik protichůdných vlastností a jejich chyby jsou díky tomu nezanedbatelně záporně korelovány, byla pro výpočet finální větrné mapy použita prostá kombinace těchto dvou modelů ve formě váženého průměru, kde model VAS/WAsP měl váhu 0,7 a model PIAP 0,3. Poměr 7:3 byl zvolen jako nejvhodnější s ohledem na reálné chování obou modelů.
3. Průměrná rychlost větru
Obr. 1: Pole průměrné rychlosti větru ve výšce 10 m
Vypočtené pole průměrné rychlosti větru v České republice ve výšce 10 m nad zemským povrchem ukazuje obr. 1. Mapa umožňující odečítání konkrétních hodnot bude zařazena mezi výpočetní pomůcky v oboru Obnovitelná energie.
Z výsledku vyplývá, že typická průměrná rychlost větru na našem území ve výšce 10 m se pohybuje okolo 3–3,5 m/s. Tyto rychlosti větru se typicky vyskytují například v níže položených regionech na lokalitách otevřených vůči proudění vzduchu nebo na méně otevřených lokalitách ve středních polohách.
Vyšší rychlosti větru se budou vyskytovat na místech exponovaných vůči převládajícím směrům větru a obecně ve vyšších polohách, pokud zároveň není rychlost větru výrazněji snížena lokálními okolnostmi (místa v údolí, lesnaté oblasti ap.). V prostoru našich vrchovin lze na vyvýšených a otevřených místech očekávat převážně rychlosti větru kolem 4 m/s ve výšce 10 m nad povrchem, ve výrazněji exponovaných polohách ve výškách nad 600 m n.m. se průměrná rychlost větru v 10 m může blížit až 5 m/s. Ještě výrazně vyšší průměrné rychlosti větru budou dosahovány na nejexponovanějších horských hřebenech a vrcholcích, to jsou však místa, kde z environmentálních důvodů obvykle nelze o výstavbě (zpravidla ani malé) větrné elektrárny uvažovat.
Naopak nižší rychlosti větru lze očekávat v místech vůči proudění málo otevřených. Jedná se zejména o polohy znevýhodněné orograficky, například místa v údolích či kotlinách a v řadě případů též v podhůří horských celků. V takových místech lze očekávat průměrné rychlosti větru mezi 2,5 a 3 m/s, v úzkých údolích a uzavřených kotlinách i méně. Rychlosti větru mohou být také snižovány výskytem rozsáhlejších lesních porostů či rozsáhlé zástavby v širším okolí lokality. Ty vedou ke zvýšení tzv. drsnosti zemského povrchu a k redukci rychlostí větru z příslušných směrů až o desítky procent. Vlivy drsnosti i orografie se navzájem sčítají, takže například v lesnatých údolích či urbanizovaných kotlinách mohou být průměrné rychlosti větru i pod 2 m/s.
Nad rámec uvedených okolností mohou průměrnou rychlost větru snižovat překážky proudění v blízkém okolí lokality, zejména stromy (individuálně či v rámci souvislejších porostů) a budovy.
3.1 Přesnost vypočtených rychlostí větru
Vypovídací schopnost prezentované větrné mapy pro podmínky v konkrétní lokalitě může být negativně ovlivněna jednak přesností modelového výpočtu a jednak vlivy lokálních překážek, které nebylo možné ve výpočtu zohlednit.
Kvalita modelového výpočtu je limitována zejména kvalitou použitých vstupních dat a přesností matematických modelů. Kvalita vstupních měření byla u starších výsledků největším zdrojem chyb, proto byla nyní provedena co nejdůkladnější kontrola těchto podkladů. Tento faktor by tak neměl plošně způsobovat chybu přesahující 10 % vypočtené rychlosti větru. Problematika přesnosti samotných modelových výpočtů je složitější. Obecně lze očekávat dobrou přesnost výpočtu v otevřené a rovinaté nebo mírně zvlněné krajině, kde bude dominovat spíše chyba vyplývající z kvality vstupních dat. Naopak ve složitém a členitém terénu s velkými výškovými rozdíly, vysokými sklony svahů a četnými překážkami mohou být chyby modelu i poměrně výrazné, výjimečně až v řádu desítek procent. Spíše vyšší chybovost lze také obecně očekávat v pohraničních regionech s menším počtem dostupných podkladových měření a v podhorských oblastech.
Lokální překážky mohou výrazně modifikovat větrné podmínky v místě výstavby větrné elektrárny. Jejich vliv, který není zohledněn v modelovém výpočtu, se projevuje přibližně do vzdálenosti odpovídající 40násobku výšky překážek. Samostatnou kapitolou jsou větrné podmínky přímo v lese či v jeho závětří, v takovém případě lze s určitým zjednodušením uvažovat „efektivní“ výšku nad povrchem vztaženou přibližně k úrovni ¾ výšky porostu. Tyto okolnosti budou podrobněji diskutovány v samostatném článku.
Ve druhé části článku budou diskutovány další důležité aspekty větrných podmínek na území ČR, které nelze ze samotné "větrné mapy" odečíst.
Literatura
- [1] Sokol Z., Štekl J., 1995: Estimation of annual mean ground wind speed over the territory of the Czech Republic. Meteorologische Zeitschrift, Vol. 4, p. 218–222. ISSN 0941-2948.
- [2] Štekl J., Sobíšek B., Sokol Z., Svoboda J., Sokol Z., Zelený J., 1995: Perspektivy využití energie větru pro výrobu elektrické energie na území ČR. Ústav fyziky atmosféry AV ČR. Část III., 138 s., část IV. 158 s.
- [3] Štekl J. a kol., 2002: Závěrečná zpráva projektu VaV320/6/00, subprojekt Větrná energie, 1. díl. Ústav fyziky atmosféry AV ČR, 117 s.
- [4] Štekl, J., Hanslian, D., Hošek J., Kerum J., Sokol Z., Svoboda J., 2004: Výzkum vhodnosti lokalit v ČR z hlediska zásob větrné energie a zpracování metodiky pro posuzovací a schvalovací řízení při zavádění větrných elektráren. Výzkumná zpráva. Ústav fyziky atmosféry AV ČR, Praha. 58 s.
- [5] Tolasz, R. a kolektiv autorů, 2007: Atlas podnebí Česka. Český hydrometeorologický ústav a Univerzita Palackého v Olomouci, Praha. 255 s. ISBN 978-80-86690-26-1, ISBN 978-80-244-1626-7.
- [6] Hanslian D., Chládová Z., Pop L., Hošek J. (2012): Modely pro konstrukci větrných map v ČR. Meteorologické zprávy, 65, č. 2, 36–44.
- [7] Hanslian, D., Hošek J., Štekl J., 2008: Odhad realizovatelného potenciálu větrné energie na území České republiky. Ústav fyziky atmosféry AV ČR, Praha. 32 s. Dostupné na WWW: http://www.ufa.cas.cz/vetrna-energie/doc/potencial_ufa.pdf
- [8] Sobíšek B., 2000: Rychlost a směr větru na území České republiky v období 1961–1990. Národní klimatický program ČR; sv. 29, 87 s.
While an actual map of the mean wind speed at the height of 100 m above ground (i.e. at the height of state-of-the-art "large" wind turbines) was created and published in 2007 – 2008, only less accurate older data were available for the conditions closer to the ground. This gap is filled by presented article and concurrently published map of the wind speed at the height of 10 m. Furthermore, other important aspects of wind conditions over the area of the Czech Republic are discussed. These results can form a useful tool for those interested in construction of small wind turbines.
To calculate the average wind speed at a height of 10 m above the surface the same procedure and the same input data as for “wind map” at a height of 100 m above the ground were used. The resulting wind map is a synthesis of three calculation models used for long time at the Institute of Atmospheric Physics AS CR: VAS, WAsP and PIAP.