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