WydziaÅ‚ Elektrotechniki Kierunek Elektrotechnika Automatyki i Informatyki MateriaÅ‚y pomocnicze do przedmiotu: Energetyka odnawialna WykÅ‚ad 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 rozkÅ‚adu ciÅ›nienia spowodowanego nierównomiernym ogrzewaniem Ziemi przez SÅ‚oÅ„ce. Ruch mas powietrza odbywa siÄ™ od wysokiego ciÅ›nienia do niskiego i jest tym wiÄ™kszy, im wiÄ™ksza jest ró\nica ciÅ›nieÅ„. Zwykle kierunek ruchu powietrza jest równolegÅ‚y do powierzchni ziemi, chocia\ w zale\noÅ›ci od uksztaÅ‚towania terenu mo\e niekiedy przebiegać w kierunkach ró\nych od poziomego. PrÄ™dkość i kierunek wiatru cechujÄ… charakterystyczne zmiany w ciÄ…gu doby, a tak\e w ciÄ…gu roku. Mniejsza prÄ™dkość wiatru wystÄ™puje zazwyczaj w nocy, rano wzrasta i osiÄ…ga wartoÅ›ci maksymalne w godzinach popoÅ‚udniowych, a nastÄ™pnie maleje. 3 Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe Roczny rozkÅ‚ad prÄ™dkoÅ›ci wiatru na terenie Polski zwiÄ…zany jest z porami roku. Wiatry najsilniejsze wystÄ™pujÄ… w okresie od pazdziernika do maja, natomiast w okresie letnim prÄ™dkość wiatru znacznie spada. Z punktu widzenia mo\liwoÅ›ci wykorzystania energii wiatru do celów energetycznych istotna jest skÅ‚adowa pozioma prÄ™dkoÅ›ci wiatru, przy czym dolnÄ… prÄ™dkoÅ›ciÄ… progowÄ… pracy silnika wiatrowego jest zwykle prÄ™dkość ½min = 4 m/s, natomiast prÄ™dkość maksymalna przepÅ‚ywu strumienia powietrza przez siÅ‚owniÄ™ wiatrowÄ… wynosi ½max = 25 m/s (ze wzglÄ™dów wytrzymaÅ‚oÅ›ciowych). PrÄ™dkość wiatru jest równie\ uzale\niona od przeszkód terenowych, wskutek czego przy powierzchni ziemi prÄ™dkość jest tym mniejsza, im wy\sze sÄ… te przeszkody. 4 2 Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe Pod wzglÄ™dem wystÄ™powania wiatrów korzystnych do rozwoju energetyki wiatrowej, obszar Polski mo\na podzielić na pięć rejonów (rys.). Powy\szy podziaÅ‚ jest bardzo ogólny i nie zawiera informacji na temat Å›redniorocznej prÄ™dkoÅ›ci wiatru ani równie\ danych o energii wiatru w kWÅ" Å" Å"h/(m2Å"a). Å" Å" Å" Å" W celu okreÅ›lenia warunków wiatrowych pomocna staje siÄ™ wiÄ™c mapa, na której zaznaczono izolinie przedstawiajÄ…ce Å›redniÄ… rocznÄ… prÄ™dkość wiatru, wyra\onÄ… w m/s i mierzonÄ… na wysokoÅ›ci 30 m n.p.g. 5 6 3 Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe Pod wzglÄ™dem Å›redniorocznych prÄ™dkoÅ›ci wiatru warunki wiatrowe w Polsce cechuje du\a zmienność na obszarze kraju oraz brak wysokich Å›rednich prÄ™dkoÅ›ci w porównaniu z doskonaÅ‚ymi warunkami wiatrowymi panujÄ…cymi w Wielkiej Brytanii, Danii, Holandii. Warunki wiatrowe w Polsce sÄ… zbli\one do warunków panujÄ…cych w Niemczech. Zasoby wiatru w obszarze caÅ‚ego kraju mo\na ocenić jedynie na podstawie danych ze stacji meteorologicznych z obserwacji wieloletnich. Dane te sÄ… jednak jedynie orientacyjne i nie mogÄ… sÅ‚u\yć do wyciÄ…gania 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. Åšrednie roczne prÄ™dkoÅ›ci wiatru w stacjach meteorologicznych na terenie Polski (dane z ostatnich piÄ™ciu 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 Å„ Lublin Kielce Kalisz MÅ‚awa Kraków Pozna Å„ Olsztyn SuwaÅ‚ki Zamo ść KÅ‚odzko Sczecin Åš nie \ ka Terespol Koszalin WrocÅ‚aw Chojnice Katowice Rzeszów WÅ‚odawa BiaÅ‚ystok Zakopane OstroÅ‚ Ä™ ka Warszawa Nowy S Ä… cz Szczecinek Jelenia Góra Zielona Góra Bielsko-BiaÅ‚a Cz Ä™ stochowa Gorzów Wielk. Rys. Åšrednie roczne prÄ™dkoÅ›ci wiatru w Polsce wyra\one w m/s 9 Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe WedÅ‚ug badaÅ„ IMiGW: za rejony uprzywilejowane uznaje siÄ™ te, na których Å›rednioroczna prÄ™dkość wiatru wynosi 5 m/s i wiÄ™cej. Tam powinny być budowane elektrownie i farmy elektrowni wiatrowych. Obszar ten obejmuje: okolice przylÄ…dka Rozewie, Pobrze\e SÅ‚owiÅ„skie od ÅšwinoujÅ›cia po Hel, część Suwalszczyzny; 10 5 Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe WedÅ‚ug badaÅ„ IMiGW: za rejony o Å›rednich warunkach wiatrowych nale\y uznać: NizinÄ™ MazowieckÄ…, Beskid ÅšlÄ…ski i Å›ywiecki oraz wschodniÄ… część Kotliny Sandomierskiej, gdzie Å›rednioroczne prÄ™dkoÅ›ci wiatru przekraczajÄ… 4 m/s. W tym obszarze uzasadnione jest budowanie indywidualnych elektrowni wiatrowych, warunkiem budowy jest jednak dokÅ‚adne rozpoznanie rozkÅ‚adu prÄ™dkoÅ›ci wiatru; 11 Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe WedÅ‚ug badaÅ„ IMiGW: na pozostaÅ‚ym obszarze kraju, gdzie Å›rednioroczna prÄ™dkość wiatru jest ni\sza od 4 m/s, budowa elektrowni wiatrowych dla celów energetycznych jest maÅ‚o opÅ‚acalna. 12 6 Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe WedÅ‚ug badaÅ„ IMiGW: Wa\nÄ… charakterystykÄ… zasobów wiatru jest równie\ procentowy udziaÅ‚ prÄ™dkoÅ›ci wy\szych od 6 m/s. Na obszarze otwartym na wysokoÅ›ci 30 m n.p.g. wg IMiGW ksztaÅ‚tuje siÄ™ on nastÄ™pujÄ…co: - rejon Rozewia: okoÅ‚o 50% czasu trwania w roku, - pobrze\e SÅ‚owiÅ„skie i Å›rodkowa Polska: 30-40%, - pozostaÅ‚a część kraju: 15-30%. 13 Energetyka wiatrowa - warunki wiatrowe WedÅ‚ug badaÅ„ IMiGW: Wielkość energii, jakÄ… mo\na uzyskać okreÅ›la potencjaÅ‚ energetyczny wiatru dla prÄ™dkoÅ›ci wiatru powy\ej 4 m/s. WedÅ‚ug tego wskaznika szczególne zasobne w energiÄ™ sÄ… obszary: - Pobrze\e SÅ‚owiÅ„skie od ÅšwinoujÅ›cia po GdaÅ„sk - powy\ej 1500 kWÅ"h/m2Å"a, z maksimum w rejonie Rozewia 2000 kWÅ"h/m2Å"a, - Suwalszczyzna - powy\ej 1500 kWÅ"h/m2Å"a, - poÅ‚udniowo-zachodnia Polska, część Wielkopolski oraz prawie caÅ‚e Mazowsze - powy\ej 1250 kWÅ"h/m2Å"a, - Beskid Å›ywiecki i ÅšlÄ…ski - powy\ej 1000 kWÅ"h/m2Å"a. 14 7 Odnawialne zródÅ‚a 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. PrzykÅ‚ad rozkÅ‚adów pionowych prÄ™dkoÅ›ci wiatru: a) w terenie zabudowanym; b) w terenie zalesionym; c) w terenie otwartym 15 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa PrÄ™dkość wiatru roÅ›nie wraz z wysokoÅ›ciÄ… nad poziomem gruntu, a jej wartość zale\na jest od szorstkoÅ›ci podÅ‚o\a oraz pionowego rozkÅ‚adu temperatury powietrza. Zale\ność tÄ™ przedstawia funkcja potÄ™gowa w postaci: 16 8 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Wielkość wykÅ‚adnika potÄ™gowego Klasa szorstkoÅ›ci Współczynnik WykÅ‚adnik potÄ™gowy terenu szorstkoÅ›ci K Ä…=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 zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Prowadzone badania dowiodÅ‚y, \e zmiana prÄ™dkoÅ›ci wiatru nad podÅ‚o\em nastÄ™puje tylko do pewnej wysokoÅ›ci. Wysokość tÄ™ okreÅ›la siÄ™ mianem wysokoÅ›ci wiatru gradientowego", co oznacza, \e powy\ej niej prÄ™dkość wiatru nie zale\y od stopnia szorstkoÅ›ci. Dla 6- stopniowej klasy szorstkoÅ›ci wysokość wiatru gradientowego przyjmuje wielkoÅ›ci zamieszczone w poni\szej tabeli. Klasa szorstkoÅ›ci 0 1 2 3 4 5 Wysokość wiatru 300 330 360 400 440 500 gadientowego [m] 18 9 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Zmiana prÄ™dkoÅ›ci wiatru wraz z wysokoÅ›ciÄ… powoduje równie\ zmianÄ™ energii wiatru. Obliczanie wielkoÅ›ci energii z poziomu mierzonego na wy\szy poziom wyra\a zale\ność: 3Ä… ëÅ‚ öÅ‚ h ìÅ‚ ÷Å‚ Eh = E0 Å" ìÅ‚ ÷Å‚ h0 íÅ‚ Å‚Å‚ 19 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Energia wiatru Wielkość energii wiatru okreÅ›la siÄ™ z zale\noÅ›ci: T 1 Wh 3 Ew = Å" Á Å" dt t +"V 2 m2 0 EnergiÄ™ wiatru wytworzonÄ… przez turbinÄ™ wiatrowÄ… odniesionÄ… do 1m2 powierzchni wirnika tej turbiny wynika ze wzoru: Ee = Ew - Es 20 10 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Straty energii wiatru w przypadku wykorzystania energii wiatru w elektrowni wiatrowej 21 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Energia strat wiatru: Wielkość wytworzonej energii przez turbinÄ™ wiatrowÄ…: Gdzie: ·E - sprawność elektrowni 22 11 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Sprawność elektrowni wiatrowej Sprawność ·a aerodynamiczna Sprawność ·m mechaniczna Sprawność ·e elektryczna 23 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Sprawność elektrowni wiatrowej ·E =·a Å"·m Å"·e 24 12 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Moc i energia elektrowni wiatrowej Przemiana energii wiatru w energiÄ™ mechanicznÄ…, a nastÄ™pnie w elektrycznÄ…, ma miejsce w silniku wiatrowym, który napÄ™dza generator. Silnikiem wiatrowym o nowoczesnej konstrukcji jest obecnie turbina wiatrowa z waÅ‚em poziomym, której oÅ› obrotu jest ustawiona równolegle do prÄ™dkość wiatru. 25 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Moc i energia elektrowni wiatrowej Moc wytwarzana przez turbinÄ™ zale\y od prÄ™dkoÅ›ci przepÅ‚ywajÄ…cego przez niÄ… strumienia mas powietrza. W wyniku przemiany energetycznej odbywajÄ…cej siÄ™ w turbinie, nastÄ™puje lokalne zmniejszenie prÄ™dkoÅ›ci wiatru. Wobec tego moc teoretycznÄ… idealnej turbiny wiatrowej mo\na wyznaczyć na podstawie zmiany energii kinetycznej masy powietrza "Ep w jednostce " " " czasu. V2 V1 26 13 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Moc i energia elektrowni wiatrowej Moc teoretycznÄ… 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 strumieÅ„ powietrza przepÅ‚ywajÄ…cy przez turbinÄ™, kg/s; V1 prÄ™dkość powierza przed wirnikiem, m/s; V2 prÄ™dkość powierza za wirnikiem, m/s; 27 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Moc i energia elektrowni wiatrowej W turbinie wiatrowej nie mo\na wykorzystać caÅ‚ej energii wiatru, wynikajÄ…cej z jego prÄ™dkoÅ›ci dolotowej v = v1 W powy\szym przypadku prÄ™dkość v2 (za wirnikiem) musiaÅ‚aby zmierzać do wartoÅ›ci: V2 0 WPROWADZA SI TEORETYCZNY WSPÓACZYNNIK WYKORZYSTANIA ENERGII WIATRU 28 14 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Moc i energia elektrowni wiatrowej Teoretyczny współczynnik wykorzystania energii wiatru wyznacza siÄ™ z zale\noÅ›ci: 1- e ¾t = 4e 1+ e Gdzie: e = v1/v2 współczynnik zahamowania strumienia powietrza 29 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Moc i energia elektrowni wiatrowej Współczynnik wydajnoÅ›ci turbiny wiatrowej ct = ¾t Å"·sm Gdzie: ·sm sprawność Å›migÅ‚a. · · · Współczynnik wydajnoÅ›ci turbiny wiatrowej ct zale\y od wyró\nika szybkobie\noÅ›ci turbiny.
30 15 Odnawialne zródła energii Energetyka wiatrowa Moc i energia elektrowni wiatrowej Wyró\nik szybkobie\ności turbiny wiatrowej określa
siÄ™ z zale\noÅ›ci: É Å" R = ½ Gdzie: É - prÄ™dkość kÄ…towa Å›migÅ‚a, 1/s; É - É - É - R promieÅ„ turbiny wiatrowej, m; V prÄ™dkość dolotowa wiatru, m/s; 31 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Moc i energia elektrowni wiatrowej Moc teoretycznÄ… turbiny wiatrowej, wyznacza siÄ™ wiÄ™c ze wzoru: S Ä„ Å" D2 3 Pt = Å"½ Å" Á Å" ct Å"10-3 = Å" v3 Å" Á Å" ct Å"10-3 kW 2 8 Gdzie: Á gÄ™stość powietrza w temperaturze +15 st. C, Á Á Á kg/m3, Á = 1,22 kg/m3 Á Á Á 32 16 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Moc i energia elektrowni wiatrowej PodstawiajÄ…c do wzoru S Ä„ Å" D2 3 Pt = Å"½ Å" Á Å" ct Å"10-3 = Å" v3 Å" Á Å" ct Å"10-3 kW 2 8 gÄ™stość powietrza oraz wprowadzajÄ…c sprawność mechanicznÄ… turbiny, otrzymuje siÄ™ moc na wale turbiny w kW Pm = 0,61Å" S Å"v3 Å"ct Å"·m Å"10-3 kW 33 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Moc i energia elektrowni wiatrowej WprowadzajÄ…c sprawność generatora otrzyma siÄ™ moc elektrycznÄ… turbiny wiatrowej, w kW: PG = Pm Å"·G = 0,61Å" S Å"v3 Å"ct Å"·m Å"·G Å"10-3 kW W obliczeniach praktycznych przyjmuje siÄ™ współczynnik wydajnoÅ›ci turbiny wiatrowej równy 0,4, wiÄ™c: PG = 0,25Å" S Å" v3 Å"·m Å"·G Å"10-3 kW 34 17 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa Literatura przykÅ‚adowa 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 zródÅ‚a energii poradnik. Wydawnictwo Tarbonus, Kraków 2008. 5. LuboÅ›ny Z.: Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. Warszawa WNT. 6. SoliÅ„ski I.: Energetyczne i ekonomiczne aspekty wykorzystania energii wiatrowej. Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków. 7. http://www.eurobserv-er.org 35 Odnawialne zródÅ‚a energii Energetyka wiatrowa DziÄ™kujÄ™ za uwagÄ™ 36 18