Větrné podmínky v České republice ve výšce 10 m nad povrchem II
V druhé části článku jsou diskutovány další důležité aspekty větrných podmínek na území ČR, které nelze ze samotné "větrné mapy" odečíst. Jedná se konkrétně o rozložení rychlosti větru a převládající směr větru, které se v rámci České republiky mohou mezi jednotlivými lokalitami významně lišit.
4. Rozdělení rychlostí větru
Výroba energie malou větrnou elektrárnou není primárně určena průměrnou rychlostí větru, ale četnostním rozdělením rychlostí. Pokud by například byla rychlost větru trvale konstantní na úrovni průměrné rychlosti větru, pak by v tomto zdánlivě příznivém případě byla při běžných průměrných rychlostech větru ve výšce malých větrných elektráren kolem 3–4 m/s celková výroba energie prakticky nulová. Takový případ samozřejmě v realitě nenastává, i přesto však mohou rozdíly v rozdělení rychlostí větru výrobu energie citelně ovlivnit.
4.1 Weibullovo rozdělení
Empirické rozdělení naměřených hodnot rychlosti větru je pro účely matematických výpočtů někdy vhodné nahrazovat jednodušším teoretickým rozdělením. Za rozdělení, které nejlépe reprezentuje četnosti rychlostí větru (ať už celkově nebo v jednotlivých sektorech směru), se považuje dvouparametrické Weibullovo rozdělení nebo jeho speciální případ rozdělení Rayleighovo. Hustotu pravděpodobnosti Weibullova rozdělení můžeme vyjádřit rovnicí:
, x > 0,
jeho distribuční funkci rovnicí:
.
Obr. 2: Tvar funkce hustoty Weibullova rozdělení pro různé hodnoty parametru k a pro A = 1. Zvýrazněny jsou hodnoty k = 1 a k = 2, které odpovídají exponenciálnímu a Rayleighově rozdělení.
A a k jsou kladné parametry rozdělení. Parametr A určuje měřítko hodnot, kterých funkce hustoty Weibullova rozdělení nabývá, parametr k určuje tvar rozdělení. Při aplikaci na klimatologické rozdělení rychlostí větru nabývá parametr A rozměru rychlosti (m/s), nejedná se však o průměrnou rychlost větru, která je zpravidla nižší než hodnota parametru A. Pro k = 1 se Weibullovo rozdělení stává exponenciálním, pro k = 2 pak jednoparametrickým Rayleighovým rozdělením. Průběh funkce hustoty Weibullova rozdělení pro různé hodnoty k a pro A = 1 zobrazuje obr. 2.
Weibullovo rozdělení je sice dvouparametrické, ale při znalosti průměrné rychlosti větru stačí k jeho úplnému určení pouze jeden dodatečný parametr. Vhodnější a dobře názorný je v tomto ohledu parametr tvaru rozdělení k, který v principu definuje extremitu daného rozdělení: při nižších hodnotách k jsou rychlosti větru více rozptýlené, při vyšších hodnotách k jsou větrné podmínky místa vyrovnanější.
4.2 Typické rozdělení rychlostí větru ve výšce malých větrných elektráren
Ve většině lokalit na území České republiky se reálné rozdělení rychlostí větru dobře přibližuje teoretickému Weibullovu rozdělení, použité zjednodušení je tedy na místě a charakter rozdělení rychlostí větru lze poměrně výstižně popsat jeho parametrem k. Samotná aproximace reálného rozdělení rychlostí rozdělením Weibullovým není jednoznačnou úlohou. V tomto případě byla prováděna programem WAsP, který ji přizpůsobuje potřebám větrné energetiky. V rámci aproximace jsou zachovávány zejména celková hustota výkonu (tj. průměrný výkon procházející jednotkovou plochou obrácenou vždy kolmo ke směru větru) a tvar četnostního rozdělení v oblasti vyšších rychlostí větru, které jsou rozhodující pro produkci elektřiny větrnými elektrárnami. U nižších rychlostí větru se výsledek od naměřeného rozdělení může lišit, při těchto rychlostech je však výroba energie větrnými elektrárnami zanedbatelná.
Obr. 3: Typické hodnoty parametru k Weibullova rozdělení ve výšce 10 m nad územím ČR v závislosti na průměrné rychlosti větru
Hodnoty parametru k ve výšce 10 m nad územím ČR vystihuje obr. 3, který ukazuje jeho závislost na průměrné rychlosti větru podle naměřených dat. Jsou ukázány jednak hodnoty přímo naměřené na meteorologických stanicích, jednak hodnoty přepočítané modelem WAsP do standardních terénních podmínek, konkrétně do výšky 10 m nad rovným povrchem o parametru drsnosti z0 = 0,1 m (ten odpovídá běžné venkovské krajině s mírným zastoupením lesů a rozptýlené zeleně). Původní naměřené rychlosti větru mají mnohem větší rozptyl než rychlosti standardizované, protože nejvyšší rychlosti větru odpovídají vrcholovým polohám se značným orografickým zesílením větru, naopak nejnižší rychlosti větru byly naměřeny v údolích, obojí je při přepočtu na standardní rovný povrch eliminováno.
Z výsledku vyplývá, že velikost parametru k se při běžných rychlostech větru kolem 3 až 3,5 m/s pohybuje okolo hodnoty 1,5 a většina hodnot se nachází v rozmezí od 1,3 do 1,8. Celkově je zřejmý trend nárůstu parametru k s průměrnou rychlostí větru, větrnější místa tedy mají relativně více vyrovnané větrné podmínky než místa málo větrná. To je dáno především častějším výskytem velmi nízkých rychlostí větru v níže položených a údolních polohách, zatímco ve vyšších a otevřenějších polohách se bezvětří téměř nevyskytují. Taková závislost obvykle platí i pro výšku nad zemským povrchem – s rostoucí výškou nad zemí (alespoň do výšek kolem 100 m) zpravidla roste jak průměrná rychlost větru, tak i hodnota parametru k.
5. Rozdělení směrů větru – větrné růžice
Větrnou růžicí se rozumí znázornění rozdělení směrů větru v určité lokalitě (jejich četností, případně i příslušných rychlostí či jiných charakteristik). Pokud je větrná růžice protažená některými směry, pak jsou nazývány převládajícími směry větru. O podrobnou analýzu větrných podmínek na území ČR se na základě měření z meteorologických stanic pokusil například Sobíšek [8], který identifikoval charakteristické oblasti s výskytem určitých větrných růžic a převládajících směrů. Při podrobnějším pohledu na větrné podmínky konkrétních míst však lze pozorovat, že i toto důkladně provedené zobecnění často selhává. Větrné podmínky lokality jsou totiž silně ovlivněny také svým bližším okolím, které může vliv regionálně platných zákonitostí do značné míry setřít. To platí především v oblastech se složitějšími orografickými poměry (a většími výškovými rozdíly), a zvláště v údolních polohách.
I přes uvedené lze najít určité zákonitosti. V prvé řadě je proudění při zemském povrchu do značné míry předurčeno větrnými podmínkami ve volné atmosféře, které nejsou ovlivněné lokálním terénem. Na této úrovni nad územím České republiky poměrně zřetelně převládá proudění ze západních směrů, ostatní směry větru jsou zastoupeny méně a vyznačují se i nižšími průměrnými rychlostmi (obr. 4a). V návaznosti na to hrají i v menších výškách nad zemí západní směry větru nejvyšší roli. To však platí pouze obecně a v některých regionech se v důsledku regionálního uspořádání reliéfu typické větrné růžice značně odlišují, jak je zřejmé z následujícího.
a
b
c
d
e
f
Obr. 4a–f: Charakteristické větrné růžice (viz text).
Výběr typických větrných růžic na území ČR ukazují obrázky 4b až 4f. Růžice na obr. 4b odpovídá větrným podmínkám ve značné části Čech. Vyznačuje se výrazně převládajícím západním směrem větru a podružným maximem z východu. Určitou modifikaci lze pozorovat na obr. 4c, kde dochází k posílení jihozápadního směru větru. Takové podmínky se objevují v západní polovině Čech, zejména v prostoru na západ a jihozápad od Prahy. Obr. 4d ukazuje větrnou růžici typickou pro širší oblast Českomoravské vrchoviny, kde nejvíce převládají severozápadní a jihovýchodní směr větru, výrazněji je však zastoupen i západní směr proudění. Zvýšený význam jihovýchodního, případně až jižního směru větru lze pozorovat zejména na Moravě (kromě severovýchodu Moravy) a v severovýchodní části Čech, v některých místech se dokonce jedná o nejčetnější a nejsilnější směr větru. Zcela odlišná je větrná růžice na obr. 4e. Ta je typická pro severovýchod Moravy, zejména pro oblast Moravské brány a Nízkého Jeseníku. Tato oblast tvoří určitou mezeru mezi nejvyššími českými pohořími a Karpaty, kterou protéká proudění mezi nížinami na severovýchod a jihozápad od ní – tyto směry větru zde proto zcela dominují. Poslední znázorněná růžice na obr. 4f je typická například pro oblast jihovýchodní Moravy, ale také pro Drahanskou vrchovinu nebo podhůří Orlických hor. Zde se střetává více vlivů, což vede k výskytu hned tří převládajících směrů větru. Prvním je obecně nejčetnější západní až severozápadní proudění, druhým je výše zmíněné regionálně zesílené proudění od jihovýchodu a třetím pak stékání studeného vzduchu ze severu až severovýchodu.
Nad rámec výše uvedeného je pak nutno počítat s vlivem lokálních faktorů. Například pro lokality v údolní poloze se proudění stáčí ve směru údolí, naopak na hřebeni má vítr tendenci se stáčet kolmo na hřeben. Pokud se některým směrem nachází orografická překážka, například v podobě horského hřebene, pak lze očekávat spíše proudění obtékající tuto překážku. Vítr za překážkou bývá spíše potlačován, ve specifických případech se však může naopak vyskytovat silný padavý vítr „z hor“. Vítr natékající na překážku je téměř vždy citelně zeslaben, úměrně její velikosti. Vliv menších orografických prvků (ploché hřebeny či údolí s výškovými rozdíly do 100 m) na větrnou růžici bývá nevýrazný, v malých výškách nad zemí však může být směr proudění dosti značně ovlivněn velkými lokálními objekty, jako jsou budovy, „uliční kaňony“ či bloky lesa.
6. Závěr
Předložený článek si dává za cíl umožnit čtenáři představu, jaké větrné podmínky lze očekávat na území České republiky ve výšce, která je relevantní nejen pro výstavbu malých větrných elektráren, ale i pro jiné aspekty běžného života. Současně lze tento článek považovat za doprovodný text k publikaci nové větrné mapy České republiky ve výšce 10 m nad povrchem na stránkách TZB-info.
Praktický návod, jaké jsou různé možnosti zjištění větrných podmínek v konkrétním místě plánované malé větrné elektrárny, pak bude předmětem navazujícího článku.
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.
Other important aspects of wind conditions over the area of the Czech Republic are discussed in the second part of the article. This include the distribution of wind speed and prevailing wind direction, which, can vary significantly between the sites in the Czech Republic.