EO 3


Wydział Elektrotechniki Kierunek
Elektrotechnika
Automatyki i Informatyki
Materiały pomocnicze do przedmiotu:
Energetyka odnawialna
Wykład 7
Wykorzystanie energii wiatru
w elektrowniach wiatrowych
Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe
Rys. Obszary dobrych warunków wiatrowych w Europie
2
1
Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe
Wiatr powstaje w wyniku ruchów mas powietrza wskutek
ró\norodnego rozkładu ciśnienia spowodowanego
nierównomiernym ogrzewaniem Ziemi przez Słońce. Ruch
mas powietrza odbywa się od wysokiego ciśnienia do niskiego
i jest tym większy, im większa jest ró\nica ciśnień. Zwykle
kierunek ruchu powietrza jest równoległy do powierzchni
ziemi, chocia\ w zale\ności od ukształtowania terenu mo\e
niekiedy przebiegać w kierunkach ró\nych od poziomego.
Prędkość i kierunek wiatru cechują charakterystyczne zmiany
w ciągu doby, a tak\e w ciągu roku. Mniejsza prędkość wiatru
występuje zazwyczaj w nocy, rano wzrasta i osiąga wartości
maksymalne w godzinach popołudniowych, a następnie
maleje.
3
Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe
Roczny rozkład prędkości wiatru na terenie Polski związany
jest z porami roku. Wiatry najsilniejsze występują w okresie od
pazdziernika do maja, natomiast w okresie letnim prędkość
wiatru znacznie spada.
Z punktu widzenia mo\liwości wykorzystania energii wiatru do
celów energetycznych istotna jest składowa pozioma
prędkości wiatru, przy czym dolną prędkością progową pracy
silnika wiatrowego jest zwykle prędkość �min = 4 m/s,
natomiast prędkość maksymalna przepływu strumienia
powietrza przez siłownię wiatrową wynosi �max = 25 m/s (ze
względów wytrzymałościowych). Prędkość wiatru jest równie\
uzale\niona od przeszkód terenowych, wskutek czego przy
powierzchni ziemi prędkość jest tym mniejsza, im wy\sze są
te przeszkody.
4
2
Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe
Pod względem występowania wiatrów korzystnych
do rozwoju energetyki wiatrowej, obszar Polski
mo\na podzielić na pięć rejonów (rys.). Powy\szy
podział jest bardzo ogólny i nie zawiera informacji na
temat średniorocznej prędkości wiatru ani równie\
danych o energii wiatru w kW�" �"
�"h/(m2�"a).
�" �"
�" �"
W celu określenia warunków wiatrowych pomocna
staje się więc mapa, na której zaznaczono izolinie
przedstawiające średnią roczną prędkość wiatru,
wyra\oną w m/s i mierzoną na wysokości 30 m n.p.g.
5
6
3
Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe
Pod względem średniorocznych prędkości wiatru warunki
wiatrowe w Polsce cechuje du\a zmienność na obszarze
kraju oraz brak wysokich średnich prędkości w
porównaniu z doskonałymi warunkami wiatrowymi
panującymi w Wielkiej Brytanii, Danii, Holandii. Warunki
wiatrowe w Polsce są zbli\one do warunków
panujących w Niemczech.
Zasoby wiatru w obszarze całego kraju mo\na ocenić
jedynie na podstawie danych ze stacji meteorologicznych
z obserwacji wieloletnich. Dane te są jednak jedynie
orientacyjne i nie mogą słu\yć do wyciągania wniosków
co do rozwoju energetyki wiatrowej w indywidualnych
lokalizacjach i szczególnych regionach Polski, z uwagi na
nieprzystosowanie stacji meteorologicznych do tego
rodzaju pomiarów.
7
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
Rys. Średnie roczne prędkości wiatru w stacjach meteorologicznych
na terenie Polski (dane z ostatnich pięciu lat)
8
4
12,84
4,37
4,05
3,83
3,77
3,70
3,62
3,62
3,60
3,50
3,46
3,45
3,22
3,12
2,97
2,90
2,87
2,85
2,83
2,83
2,80
2,75
m/s
2,74
2,68
2,65
2,63
2,56
2,53
2,50
2,48
2,40
2,03
1,60
1,32
Hel
Aód
z
Aeba
Toru
ń
Lublin
Kielce
Kalisz
Mława
Kraków
Pozna
ń
Olsztyn
Suwałki
Zamo
ść
Kłodzko
Sczecin
Ś
nie
\
ka
Terespol
Koszalin
Wrocław
Chojnice
Katowice
Rzeszów
Włodawa
Białystok
Zakopane
Ostroł
ę
ka
Warszawa
Nowy S
ą
cz
Szczecinek
Jelenia Góra
Zielona Góra
Bielsko-Biała
Cz
ę
stochowa
Gorzów Wielk.
Rys. Średnie roczne prędkości wiatru w Polsce wyra\one w m/s
9
Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe
Według badań IMiGW:
za rejony uprzywilejowane uznaje się te, na
których średnioroczna prędkość wiatru wynosi
5 m/s i więcej. Tam powinny być budowane
elektrownie i farmy elektrowni wiatrowych.
Obszar ten obejmuje: okolice przylądka
Rozewie, Pobrze\e Słowińskie od Świnoujścia
po Hel, część Suwalszczyzny;
10
5
Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe
Według badań IMiGW:
za rejony o średnich warunkach wiatrowych
nale\y uznać: Nizinę Mazowiecką, Beskid
Śląski i śywiecki oraz wschodnią część Kotliny
Sandomierskiej, gdzie średnioroczne prędkości
wiatru przekraczają 4 m/s. W tym obszarze
uzasadnione jest budowanie indywidualnych
elektrowni wiatrowych, warunkiem budowy
jest jednak dokładne rozpoznanie rozkładu
prędkości wiatru;
11
Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe
Według badań IMiGW:
na pozostałym obszarze kraju, gdzie
średnioroczna prędkość wiatru jest ni\sza
od 4 m/s, budowa elektrowni wiatrowych
dla celów energetycznych jest mało
opłacalna.
12
6
Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe
Według badań IMiGW:
Wa\ną charakterystyką zasobów wiatru jest równie\
procentowy udział prędkości wy\szych od 6 m/s.
Na obszarze otwartym na wysokości 30 m n.p.g. wg
IMiGW kształtuje się on następująco:
- rejon Rozewia: około 50% czasu trwania w roku,
- pobrze\e Słowińskie i środkowa Polska: 30-40%,
- pozostała część kraju: 15-30%.
13
Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe
Według badań IMiGW:
Wielkość energii, jaką mo\na uzyskać określa potencjał
energetyczny wiatru dla prędkości wiatru powy\ej 4 m/s. Według
tego wskaznika szczególne zasobne w energię są obszary:
- Pobrze\e Słowińskie od Świnoujścia po Gdańsk - powy\ej
1500 kW�"h/m2�"a, z maksimum w rejonie Rozewia 2000
kW�"h/m2�"a,
- Suwalszczyzna - powy\ej 1500 kW�"h/m2�"a,
- południowo-zachodnia Polska, część Wielkopolski oraz
prawie całe Mazowsze - powy\ej 1250 kW�"h/m2�"a,
- Beskid śywiecki i Śląski - powy\ej 1000 kW�"h/m2�"a.
14
7
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
a) b) c)
h [m]
40 m/s
150
35 m/s
125
35 m/s
100
30 m/s
75
20 m/s 30 m/s 40 m/s
50
10 m/s 25 m/s 35 m/s
25
20 m/s
30 m/s
0
Rys. Przykład rozkładów pionowych prędkości wiatru:
a) w terenie zabudowanym; b) w terenie zalesionym; c) w terenie otwartym
15
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością nad poziomem
gruntu, a jej wartość zale\na jest od szorstkości podło\a
oraz pionowego rozkładu temperatury powietrza.
Zale\ność tę przedstawia funkcja potęgowa w postaci:
16
8
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Wielkość wykładnika potęgowego
Klasa szorstkości Współczynnik Wykładnik potęgowy
terenu szorstkości K ą=lgK
0 0,005 0,150
1 0,007 0,165
2 0,010 0,190
3 0,015 0,220
4 0,025 0,270
5 0,050 0,350
17
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Prowadzone badania dowiodły, \e zmiana prędkości
wiatru nad podło\em następuje tylko do pewnej
wysokości. Wysokość tę określa się mianem  wysokości
wiatru gradientowego", co oznacza, \e powy\ej niej
prędkość wiatru nie zale\y od stopnia szorstkości. Dla 6-
stopniowej klasy szorstkości wysokość wiatru
gradientowego przyjmuje wielkości zamieszczone w
poni\szej tabeli.
Klasa szorstkości
0 1 2 3 4 5
Wysokość wiatru
300 330 360 400 440 500
gadientowego [m]
18
9
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Zmiana prędkości wiatru wraz z wysokością
powoduje równie\ zmianę energii wiatru.
Obliczanie wielkości energii z poziomu mierzonego
na wy\szy poziom wyra\a zale\ność:
3ą
�ł �ł
h
�ł �ł
Eh = E0 �"
�ł �ł
h0
�ł łł
19
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Energia wiatru
Wielkość energii wiatru określa się z zale\ności:
T
1 Wh
3
Ew = �" � �" dt
t
+"V
2 m2
0
Energię wiatru wytworzoną przez turbinę wiatrową
odniesioną do 1m2 powierzchni wirnika tej turbiny
wynika ze wzoru:
Ee = Ew - Es
20
10
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Straty energii wiatru w przypadku wykorzystania energii wiatru
w elektrowni wiatrowej
21
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Energia strat wiatru:
Wielkość wytworzonej energii przez turbinę wiatrową:
Gdzie:
�E - sprawność elektrowni
22
11
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Sprawność elektrowni
wiatrowej
Sprawność
�a
aerodynamiczna
Sprawność
�m
mechaniczna
Sprawność
�e
elektryczna
23
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Sprawność elektrowni wiatrowej
�E =�a �"�m �"�e
24
12
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Moc i energia elektrowni wiatrowej
Przemiana energii wiatru w energię mechaniczną, a
następnie w elektryczną, ma miejsce w silniku
wiatrowym, który napędza generator.
Silnikiem wiatrowym o nowoczesnej konstrukcji jest
obecnie turbina wiatrowa z wałem poziomym, której oś
obrotu jest ustawiona równolegle do prędkość wiatru.
25
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Moc i energia elektrowni wiatrowej
Moc wytwarzana przez turbinę zale\y od prędkości
przepływającego przez nią strumienia mas powietrza.
W wyniku przemiany energetycznej odbywającej się w
turbinie, następuje lokalne zmniejszenie prędkości
wiatru. Wobec tego moc teoretyczną idealnej turbiny
wiatrowej mo\na wyznaczyć na podstawie zmiany
energii kinetycznej masy powietrza "Ep w jednostce
"
"
"
czasu.
V2
V1
26
13
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Moc i energia elektrowni wiatrowej
Moc teoretyczną idealnej turbiny wiatrowej mo\na
wyznaczyć na podstawie zmiany energii kinetycznej
masy powietrza " w jednostce czasu:
"Ep
"
"
2 2
mp(v1 - v2 )
"Ep =
2
gdzie:
mp  strumień powietrza przepływający przez turbinę, kg/s;
V1  prędkość powierza przed wirnikiem, m/s;
V2  prędkość powierza za wirnikiem, m/s;
27
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Moc i energia elektrowni wiatrowej
W turbinie wiatrowej nie mo\na wykorzystać całej
energii wiatru, wynikającej z jego prędkości dolotowej
v = v1
W powy\szym przypadku prędkość v2 (za wirnikiem)
musiałaby zmierzać do wartości:
V2 0
WPROWADZA SI TEORETYCZNY WSPÓACZYNNIK WYKORZYSTANIA ENERGII WIATRU
28
14
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Moc i energia elektrowni wiatrowej
Teoretyczny współczynnik wykorzystania energii
wiatru wyznacza się z zale\ności:
1- e
�t = 4e
1+ e
Gdzie:
e = v1/v2  współczynnik zahamowania
strumienia powietrza
29
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Moc i energia elektrowni wiatrowej
Współczynnik wydajności turbiny wiatrowej
ct = �t �"�sm
Gdzie: �sm  sprawność śmigła.
�
�
�
Współczynnik wydajności turbiny wiatrowej ct zale\y
od wyró\nika szybkobie\ności  turbiny.



30
15
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Moc i energia elektrowni wiatrowej
Wyró\nik szybkobie\ności  turbiny wiatrowej określa



się z zale\ności:
� �" R
 =
�
Gdzie:
� - prędkość kątowa śmigła, 1/s;
� -
� -
� -
R  promień turbiny wiatrowej, m;
V  prędkość dolotowa wiatru, m/s;
31
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Moc i energia elektrowni wiatrowej
Moc teoretyczną turbiny wiatrowej, wyznacza się więc
ze wzoru:
S Ą �" D2
3
Pt = �"� �" � �" ct �"10-3 = �" v3 �" � �" ct �"10-3 kW
2 8
Gdzie:
� gęstość powietrza w temperaturze +15 st. C,
� 
�
�
kg/m3, � = 1,22 kg/m3
�
�
�
32
16
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Moc i energia elektrowni wiatrowej
Podstawiając do wzoru
S Ą �" D2
3
Pt = �"� �" � �" ct �"10-3 = �" v3 �" � �" ct �"10-3 kW
2 8
gęstość powietrza oraz wprowadzając sprawność
mechaniczną turbiny, otrzymuje się moc na wale
turbiny w kW
Pm = 0,61�" S �"v3 �"ct �"�m �"10-3 kW
33
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Moc i energia elektrowni wiatrowej
Wprowadzając sprawność generatora otrzyma się
moc elektryczną turbiny wiatrowej, w kW:
PG = Pm �"�G = 0,61�" S �"v3 �"ct �"�m �"�G �"10-3 kW
W obliczeniach praktycznych przyjmuje się
współczynnik wydajności turbiny wiatrowej równy 0,4,
więc:
PG = 0,25�" S �" v3 �"�m �"�G �"10-3 kW
34
17
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Literatura przykładowa
1. Marecki J.: Podstawy przemian energetycznych. Warszawa
WNT.
2. Pawlik M., Strzelczyk F., Laudyn D.: Elektrownie. Warszawa WNT.
3. Chmielniak T.: Technologie energetyczne. Warszawa WNT.
4. Praca zbiorowa: Odnawialne i niekonwencjonalne zródła energii
 poradnik. Wydawnictwo Tarbonus, Kraków 2008.
5. Lubośny Z.: Elektrownie wiatrowe w systemie
elektroenergetycznym. Warszawa WNT.
6. Soliński I.: Energetyczne i ekonomiczne aspekty wykorzystania
energii wiatrowej. Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków.
7. http://www.eurobserv-er.org
35
Odnawialne zródła energii  Energetyka wiatrowa
Dziękuję
za uwagę
36
18


Wyszukiwarka