Haku
EN
FI | EN

 

Tietoa tuulivoimasta

Puuskat

Tuulen puuskalla tarkoitetaan hetkellistä/lyhytkestoista tuulen nopeuden maksimia pidemmän havaintojakson aikana. Säähavaintoasemilla puuskia mitataan kansainvälisten suositusten (WMO) mukaisesti, eli puuska on 3 s liukuvan keskiarvon maksimi 10 minuutin havaintojakson aikana. Ilmastotarkasteluissa käytetään usein 10 minuutin sijaan tunnin mittaista havaintojaksoa.

Puuskaisuutta, kuten turbulenssiakin, aiheuttavat tuuliväänne, nostevoimat ja toisinaan myös gravitaatioaallot. Suurin vaikutus on tuuliväänteellä, joka riippuu etenkin alustan aerodynaamisesta rosoisuudesta. Voimakkaimmat puuskat havaitaan lähes neutraaleissa kovatuulisissa tilanteissa. Kohtalaisilla tuulilla (3-9 m/s) ilmakehän stabiilisuus alkaa jo vaikuttaa puuskaisuuteen, ja heikoilla tuulilla (alle 3 m/s) sen vaikutus on kaikkein selvin. Gravitaatioaallot vaikuttavat puuskaisuuteen stabiileissa olosuhteissa, joissa turbulenssi on yleensä muuten heikkoa. Näin on havaittu tapahtuvan etenkin alueilla joilla korkeuserot ovat suuria.

Puuskaisuutta kuvataan meteorologiassa usein nk. puuskakertoimen (G) avulla, joka on puuskanopeuden (Umax) ja tuulen keskinopeuden (U) suhde. Puuskakerroin vaihtelee eri havaintoasemien välillä. Kuvassa (1) on esitetty puuskakertoimen muutos korkeuden funktiona kahdella eri säämastoasemalla. Vasemmanpuoleinen kuva edustaa tasaisella ruohomaalla Tanskan Høvsøressä sijaitsevalla tuulienergian tutkimusasemalla tehtyjä mittauksia ja toinen Loviisassa metsän (keskim. metsän korkeus noin 15 m) yllä tehtyjä havaintoja. Molemmissa puuskakerroin on ilmoitettu suhteessa alimman mittaustason puuskakertoimeen.

Ruohomaalla puuskakerroin pienenee korkeuden funktiona 10 metrin korkeudelta 100 metrin korkeudelle enintään noin 10%. Pieneneminen on voimakkainta stabiileissa olosuhteissa ja heikointa epästabiileissa oloissa. Metsäisen maaston yllä muutos on sen sijaan huomattavasti suurempi, jopa 30% siirryttäessä 30 metrin korkeudelta 143 metrin korkeudelle. Alustan aerodynaamisen rosoisuuden vaikutus puuskakertoimeen (ja siten myös turbulenssiin) on siis huomattavasti merkittävämpi kuin esimerkiksi stabiilisuuden vaikutus.

Puuskia ei voida ennustaa suoraan esimerkiksi ilmakehämallilla, sillä yleisesti käytössä olevien mallien (IFS, Harmonie, WRF, jne.) resoluutio on parhaimmillaankin ajallisesti noin minuuttien ja alueellisesti puolen kilometrin luokkaa, kun taas puuskien syntyyn vaikuttavien pyörteiden koot vaihtelevat tyypillisesti sekunneista minuutteihin ja muutamista metreistä kilometriin. Tämän vuoksi puuskien arvioimiseen on käytettävä parametrisointeja eli menetelmiä, joiden avulla arvioidaan puuskien voimakkuutta mallin ennustettujen parametrien avulla. Näin tehtiin myös Suomen Tuuliatlaksen laskennassa.

Puuskat aiheuttavat (usein epätasaista) kuormitusta tuulivoimalalle. Kuormituksen vaikutus riippuu puuskan kestosta ja siitä miten puuska jakautuu voimalan lapojen pyyhkäisypinta-alalle. Suomi ym (2014) tarkastelivat puuskan esiintymisajanhetkiä eri korkeuksilla 100 metriä korkean säämaston (Tanskan Høvsøre) turbulenssimittausten avulla 15 kovatuulisessa tilanteessa. Kuvassa (3) on esimerkki näistä tuloksista. Tutkimuksessa havaittiin, että 10 m korkeuden puuskamaksimia tyypillisesti edelsi tuulen nopeuden maksimit ylemmillä korkeuksilla ja vastaavasti tuulen nopeuden maksimeja havaittiin alemmilla korkeuksilla yleensä vasta 100 m korkeuden maksimipuuskan jälkeen.

Kuvat 2 a & b: Tuulen nopeuden maksimin keskimääräinen sijainti eri korkeuksilla sekä 10 m (ylhäällä) että 100 m (alhaalla) puuskamaksimin yhteydessä 11.1.2010 klo 4-9 UTC. Väriasteikko: %-osuus kaikista tapauksista.

Lähteet:

Brasseur O. 2001. Development and application of a physical approach to estimating wind gusts. Mon. Weather Rev. 129: 5–25.Suomi I, Gryning S-E, Floors R, Vihma T, Fortelius C. 2014. On the vertical structure of wind gusts. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society (accepted).Suomi I, Vihma T, Gryning S-E, Fortelius C. 2013. Wind-gust parametrizations at heights relevant for wind energy: a study based on mast observations. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 139(674): 1298-1310.Verkaik JW, 2000. Evaluation of Two Gustiness Models for Exposure Correction Calculations. J. Appl. Meteor., 39, 1613–1626.