Wiatr
Energia wiatru jest przekształcona formą energii słonecznej. Wiatr jest wywołany przez
różnicę w nagrzewaniu lądu i mórz, biegunów i równika, czyli przez różnicę ciśnień między
różnymi strefami cieplnymi. Ocenia się, że około 1-2% energii słonecznej dochodzącej do
Ziemi ulega przemianie na energiÄ™ kinetycznÄ… wiatru, stanowi to 2700 TW. 25% tej energii
przypada na stumetrową grubość warstwy powietrza atmosferycznego otaczającego
bezpośrednią powierzchnię Ziemi.
Jeśli uwzględni się różne rodzaje strat, oraz możliwości rozmieszczenia inastalacji
wiatrowych, mają one potencjał energetyczny o mocy 40 TW.
Podstawowe dane o atmosferze i wietrze
Prędkość wiatru
1 m/s = 3.6 km/h = 2.187 mph = 1.944 węzła
1 węzeł = 1 mila morska/godzinę= 0.5144 m/s = 1.852 km/h = 1.125 mph
Skala prędkości
Prędkość wiatru na wys.
Skala
10m
Wiatr
Beauforta
m/s węzły
0.0-0.4 0.0-0.9 0 Spokój
0.4-1.8 0.9-3.5 1
1.8-3.6 3.5-7.0 2 Lekki
3.6-5.8 7-11 3
5.8-8.5 11-17 4 Åšredni
8.5-11 17-22 5 Umiarkowany
11-14 22-28 6
Silny
14-17 28-34 7
17-21 34-41 8
Sztorm
21-25 41-48 9
25-29 48-56 10
Silny sztorm
29-34 56-65 11
>34 >65 12 Huragan
Gęstość powietrza i ciśnienie atmosferyczne
Gęstość
Temperatura Temperatura Max. zawartość
powietrza
[st Celsjusza ] [ Farenheit ] wody [kg/m3]
[kg/m3]
-25 -13 1.423
-20 -4 1.395
-15 5 1.368
-10 14 1.342
-5 23 1.317
0 32 1.292 0.005
5 41 1.269 0.007
10 50 1.247 0.009
15 59 1.225 *) 0.013
20 68 1.204 0.017
25 77 1.184 0.023
30 86 1.165 0.030
35 95 1.146 0.039
40 104 1.127 0.051
*) Wartości używane przy uśrednianiu pomiarów. wg nich
podawane sÄ… inne warrtosci w tabelach.
Siła wiatru
m/s W/m2 m/s W/m2 m/s W/m2
0 0 8 314 16 2509
1 1 9 447 17 3009
2 5 10 613 18 3572
3 17 11 815 19 4201
4 39 12 1058 20 4900
5 77 13 1346 21 5672
6 132 14 1681 22 6522
7 210 15 2067 23 7452
Dane dla T=15*C i gęstości 1.225 kg/m3
Potencjalne zasoby energii wiatru w Polsce
Aby określić zasobność Polski w energię wiatru opracowano rozpoznanie tego żródła
dwuetapowo:
I etap - ocena zasobów energii wiatru w skali regionalnej (mezoskali),
II etap - ocena zasobów energii watru w skali lokalnej uwzględniaja
c warunki topograficzne i
szorstkość terenu w tej skali.
Przyjęto, że etap pierwszy jest podstawowym, wiarygodnym przybliżeniem umożliwiajacym
szacunek zasobów energii w mezoskali. Wynik tego oszacowania upoważnia z kolei do
dalszej szczegółowej oceny tych zasobów dla dowolnie wybranego miejsca znajdującego się
na obszarze uprzywilejowanym pod względem ilości energii wiatru.
Do oceny zasobów energii wiatru w mezoskali posłużono się użyteczną energią wiatru, która
określa dolne ograniczenie prędkości v > 4,0 m/s.
Energię wiatru obliczono następującym wzorem:
E = 0,5 * r * v3 * t * 2,778 * 10-7
gdzie:
r - gęstość powietrza
v - prędkość
t - czas.
Do określenia jej na dowolnej wysokości zastosowano wzór, zgodnie z którym stosunek
energii E1 na wysokości Z1 do energii E2 na wysokości Z2 wynosi:
E1 / E2 = {Z1 / Z2}3a
gdzie:
-1
E - energia wiatru w kWh * m2 * rok na wysokościach Z1 i Z2,
a - wykładnik potęgowy zależny od szorstkości podłoża, prędkości wiatru, stanu równowagi
atmosferycznej i czasu uśredniania prędkości wiatru.
Znając powierzchnię skrzydeł, można już w prosty sposób obliczyć wydajność energetyczną
siłowni:
E(siłowni) = E * A, {w kWh / rok}
gdzie:
E - energia użyteczna wiatru
A - powierzchnia zakreślona skrzydłami wirnika, m2
Analiza map energii użytecznej wykazuje przede wszystkim duże zróżnicowanie przestrzenne
wielkości tej energii na obszarze kraju.
"Uprzywilejowanymi " rejonami pod względem zasobów energii wiatru są:
· Å›rodkowe, najbardziej wysuniÄ™te na północ części wybrzeża od Koszalina po Hel,
· Wyspa Uznam,
· Suwalszczyzna,
· Å›rodkowa Wielkopolska i Mazowsze,
· Beskid ÅšlÄ…ski i Å»ywiecki,
· Bieszczady i Pogórze Dynowskie.
Poniższa mapa przedstawia mezoskalowa rejonizację Polski pod względem zasobów energii
wiatru w kWh * m2 / rok. Wydzielono 5 rejonów o różnych zasobach energii dla wysokości
30 m nad pow. grumtu. Z mapy tej wynika, że około 60 % kraju posiada dobre warunki do
wykorzystania wiatru, jako z
ródła czystej energii.
Kolor Lokalizacja
zielony wybitnie korzystna
żółty korzystna
pomarańczowy dość korzystna
czerwony niekorzystna
brÄ…zowy wybitnie niekorzystna
czarny tereny wyłaczone, wysokie partie gór
Kolejnym etapem poznania zasobów energii wiatru jest jej ilościowa ocena dla
wybranego w skali regionalnej korzystnego miejsca, uwzględniająca warunki terenowe tego
miejsca, by uzyskać jej rzeczywiste wielkości. Problem ten rozwiązuje matematyczno -
fizyczny model duński o nazwie WAsP (Wind Atlas Analysys Application Programme).
Dany program umożliwia wykorzystanie danych o wietrze w profilu poziomym i pionowym
ze stacji meteorologicznej uwzględniając wpływ:
· osÅ‚oniÄ™cia terenu,
· szorstkość podÅ‚oża,
· orografii terenu.
Modelu WAsP zawiera 5 podstawowych podprogramów:
1. Model zmiany szorstkości podłoża symulujący rodzaj szorstkości podłoża w każdym z 12
uwzględnionych sektorów - kierunków,
2. Model osłonięcia terenu - uwzględnia stopień zasłonięcia terenu przez różnego rodzaju
przeszkody pojedyńcze lub ich zespoły; łącznie model uwzględnia zespół 50 przeszkód,
3. Model orograficzny - o wysokiej rozdzielczości dla określenia przepływu powietrza w
terenie urozmaiconym orograficznie. Wejściem do modelu są izohipsy, przeniesione w
systemie cyfrowym ze standardowej mapy topograficznej w skali 1:25 000 lub 1:50 000 w
promieniu do 50 km od miejsca obserwacji i co 10 m wysokości.
4. Model analizy tzw. "atlasu wiatru", którego efektem jest statystyczny rozkład kierunków i
prędkości wiatru obliczony rozkładem Weibulla wraz z parametrami rozkładu w postaci
stabelaryzowanej dla wysokości standardowej i uwzględniający parametry szorstkości.
5. Model aplikacyjny - modyfikujący rozkład kierunków i prędkości wiatru na podstawie
danych ze stacji meteorologicznej dla wybranego punktu do lokalizacji siłowni wiatrowej.
Modelu WAsP nie można stosować do oceny ilości energi wiatru w terenach górzystych ze
względu na brak pokrycia wartości obliczanych symulacyjnie z rzeczywistymi.
Po wprowadzeniu do programu wszystkich rzeczywistych parametrów szorstkości danego
miejsca lokalizacji, odpowiednich parametrów mapy topograficznej i oczywiście wieloletnich
danych meteorologicznych uzyskuje siÄ™:
· energiÄ™ wiatru na dowolnej wysokoÅ›ci w zakresie 10 - 100 m nad pow. gruntu dla
miejsca lokalizacji siłowni w kWh * m2
· znajÄ…c krzywÄ… mocy proponowanej siÅ‚owni i powiechniÄ™ zakreÅ›lonÄ… skrzydÅ‚ami
wirnika, rocznÄ… produkcjÄ™ energi w MWh / rok
Na tej podstawie, przyszły inwestor wykonuje dokładną analizę ekonomiczną opłacalności
proponowanej siłowni wiatrowej w ocenianym przez eksperta IMGW miejscu.
Model ten posiada również inną możliwość oceny energii wiatru:
· dla piÄ™ciu przyjÄ™tych klas szorstkoÅ›ci oblicza parametry rozkÅ‚adu Weibulla A i K
· dla piÄ™ciu wysokoÅ›ci i 12 kierunków wiatru.
Średnią energię wiatru można wówczas wyliczyć stosując następujący wzór:
E = A3 * FE(k)
gdzie:
A - parametr skali obliczony empirycznie,
K - parametr kształtu rozkładu,
FE(k) funkcja - została stabelaryzowana.
Stosując ten wzór można obliczyc E dla którego kierunku na wybranej wysokości i w
określonej klasie szorstkości.
Energię całkowitą ze wszystkich kierunków oblicza się, jako sumę ważoną:
E = f1 * E1 + f2 * E2 + ... + f12 * E12
Przykładowy rozkład Weibulla prędkości wiatru
Przykładowa róża wiatrów
Przykładowy wykres zależności energii wiatru od
wysokości
n. p. g. w rejonie Nowogardu. Wielkość uzyskiwanej
energii zancznie rośnie ze wzrostem wysokości siłowni
wiatriwej, ale i ten parametr ma swoje ograniczenia
konstrukcyjne.