Mała elektrownia wiatrowa wspomagająca istniejący system grzewczy w domu mieszkalnym

Transkrypt

1 Mała elektrownia wiatrowa wspomagająca istniejący system grzewczy w domu mieszkalnym Autor: dr inż. Henryk Wojciechowski, docent - Instytut Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej ( Instal nr 5/2013) Część I. Energetyczne wykorzystanie strumienia powietrza 1. Wprowadzenie Energia strumienia powietrza (wiatru) jako nośnika energii wykorzystywano już w starożytności. Pierwsze silniki wiatrowe pojawiły się około 1800 lat temu w krajach śródziemnomorskich, w Chinach i Indiach. W Babilonii wykorzystywano wiatraki do napędu kół wodnych do osuszania mokradeł, a w innych krajach koła wodne stosowano w systemach irygacyjnych do nawadniania pól. W VIII wieku w Europie pojawiły się duże wiatraki 4- skrzydłowe, w których budowie wyspecjalizowali się Holendrzy. We wczesnym średniowieczu silnik wiatrowy znalazł zastosowanie w młynach prochowych i zbożowych. Na terenach Polski rozpowszechnione były koźlaki (rys.1), który swoją nazwę przyjęły od podstawy, czyli tzw. kozła. Był to wiatrak zbudowany z drewna, posiadał trzy kondygnacje, z których dwie służyły do produkcji mąki. Charakterystyczną cechą koźlaka jest możliwość obracania go wokół słupa, co umożliwia ustawienie wiatraka względem kierunku wiatru. Również popularnym wiatrakiem, który przywędrował do Polski w XVII w. był wiatrak holenderski (rys. 2). Rys.1. Wiatrak kozłowy (koźlak). (źródło wikipedia.org)

2 Rys. 2. Wiatrak holenderski. (źródło wikipedia.org) W 1940 roku w Danii było ponad 1300 elektrowni wiatrowych wytwarzających energię elektryczną, w USA w tym czasie - około 6 milionów. Elektrownie wiatrowe były dla mieszkańców wsi w ówczesnych czasach jedynym dostępnym źródłem energii elektrycznej. Elektrownie wiatrowe mają poważną wadę, ich działanie uzależnione jest od pogody, w dni bezwietrzne i takie, gdy wiatr jest bardzo silny elektrownie wiatrowe nie mogą pracować. Przemiał zboża następował w wiatrakach młynach w okresie sprzyjających warunków wietrzności i spełniał oczekiwania klientów młynów Elektrownie wiatrowe nie stanowią konkurencji dla elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi. Pierwsze próby wykorzystania turbin wiatrowych na masową skalę były podejmowane w latach 70 XX wieku w odpowiedzi na kryzys naftowy. Do końca XX wieku nie stały się znaczącym źródłem energii, moc zainstalowanych elektrowni wiatrowych wynosiła 17,4 GW i generowały mniej niż 0,4 % całkowitej zużywanej przez ludzkość energii elektrycznej.

3 2. Energia strumienia powietrza (wiatru) jako pierwotne źródło energii Wiatr jest to strumieniowy, poziomy ruch powietrza. Przyczyną powstawania wiatru jest różnica ciśnień wywołana różnicą temperatur oraz ruch obrotowy Ziemi. Na prędkość wiatru w warstwie atmosfery do 1000 m istotną rolę odgrywa ukształtowanie terenu, powyżej tej wysokości wiatr uzależniony jest od rozmieszczenia zimnych i ciepłych mas powietrza. Gdy strumień przepływającego powietrze napotka na drodze przeszkodę lub nierówną powierzchnię, nad którą musi przepłynąć, powstają wiry, tym większe, im silniejszy wiatr, są to tak zwane turbulencje. Energię kinetyczna strumienia powietrza E przepływającego laminarnie przez powierzchnię A w czasie t określa się wzorem: gdzie: E energia kinetyczna strumienia powietrza w J, v - prędkość strumienia powietrza w m/s, ρ - gęstość powietrza w kg/m 3. t czas w s, we wzorze (1) A v t ρ masa strumienia powietrza przepływająca w czasie t przez powierzchnię A w kg. Powierzchniowa gęstość mocy, energia na jednostkę czasu i powierzchni (1) = ρ v 3 (2) Z wzoru (2) wynika, że powierzchniowa gęstość mocy zależy od prędkości strumienia powietrza w trzeciej potędze i gęstości powietrza. Wiatr o dwukrotnie większej prędkości posiada ośmiokrotnie większą powierzchniową gęstość mocy. Dlatego lokalizacja turbin wiatrowych w miejscach gdzie wieją silne wiatry ma kluczowe znaczenie dla ich efektywności technicznej i ekonomicznej. W praktycznych obliczeniach przyjmuje się, że średnia gęstość powietrza wynosi ρ=1.225 kg/m 3. W rzeczywistości gęstość powietrza jest zmienna i zależy głównie od temperatury (rys.3) i ciśnienia atmosferycznego (rys.4). I to wcale nie w znikomym stopniu. Z powodu zmian temperatury w zakresie ( ) o C, zmiana gęstości powietrza sięga 20,4 %. Zaś z powodu spotykanych wahań ciśnienia

4 atmosferycznego miedzy wyżem a niżem (nawet ~80 hpa) zmiana gęstości powietrza sięga 7,7 %. Zatem lodowaty wiatr na wyżu może być nawet o 28 % bardziej gęsty niż upalny wiatr podczas niżu atmosferycznego. Zmiana gęstości powietrza przekłada się wprost proporcjonalnie na moc strumienia powietrza. Czyli o ile procent bardziej gęsty wiatr o tyle procent większa jest jego moc przy tej samej prędkości strumienia powietrza. 1,5 Gęstość powietrza w kg/m 3 1,4 1,3 1,2 1, temperatura powietrza w C Rys.3. Gęstość powietrza suchego w funkcji temperatury przy ciśnieniu normalnym. 1,350 gęstość powietrza w kg/m 3 1,300 1,250 1,200 1,150 1, ciśnienie powietrza w hpa Rys.4. Gęstość powietrza suchego w funkcji ciśnienia przy temperaturze 273 K

5 Nie cała energia kinetyczna wiatru może zostać wykorzystana przez łopaty turbiny wiatrowej. Niemiecki fizyk Albert Betz przeszedł do historii, jako pionier energetyki wiatrowej pracował naukowo na Uniwersytecie w Göttingen, pracował nad zagadnieniami aerodynamiki, hydromechaniki i mechaniki płynów. W 1910 roku opublikował pracę naukową na temat teoretycznych granic najlepszego wykorzystania energii wiatru w silnikach wiatrowych. Moc mechaniczna pozyskiwana od strumienia poruszającego się strumienia powietrza przez łopaty wirnika P = (v v 2 2 ) (v 1 + v 2 ) A (3) gdzie: v 1 prędkość strumienia powietrza przed łopatami wirnika, v 2 - prędkość strumienia powietrza za łopatami wirnika. Stopień wykorzystania energii kinetycznej zawartej w strumieniu powietrza C p = = ) 2 ] (1 + ) (4) Stopień wykorzystania energii kinetycznej zawartej w strumieniu powietrza zależy od stosunku prędkości strumienia powietrza za i przed łopatami wirnika. 0,7 0,6 topień wykorzystania energii strumienia powietrza 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Rys. 5. Graficzna ilustracja prawa Betz a.

6 Na rys.5 przedstawiono wykres stopnia wykorzystania energii zawartej w strumieniu powietrza w funkcji stosunku jego prędkości za i przed łopatami wirnika. Teoretycznie maksymalny stopień wykorzystania energii zawartej w strumieniu powietrza wynosi 59,257 % i występuje przy stosunku prędkości strumienia powietrza za i przed łopatami wirnika gdy v 2/ v 1 = 1/3. Oznacza to, że idealna turbina wiatrowa spowolni prędkość strumienia powietrza do 1/3 jego pierwotnej wartości Rozkład gęstość występowania prędkości wiatru w roku może być opisany rozkładem Weibulla i uwzględniając, że moc strumienia powietrza (wiatru) zależy od jego prędkości w trzeciej potędze to uzyskamy funkcje rozkładu gęstości energii strumienia powietrza w roku, co przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Rozkład gęstości energii strumienia powietrza w funkcji jego prędkości w roku. Stosunek wytwarzanej energii przez elektrownię wiatrową do energii zawartej w strumieniu powietrza wynosi (20 40) %. Na rys.7 przedstawiono wykres Sankey a (wykres strugowy mocy) elektrowni wiatrowej pracującej na wierzchołku krzywej Betz a (rys.5), by to osiągnąć wymagane jest zastosowanie odpowiedniego rodzaju turbin, doboru profilu łopat i automatycznej regulacji ustawienia łopat względem kierunku wiatru. Rys.7. Wykres Sankey a elektrowni wiatrowej pracującej w optymalnych warunkach

7 Moc generowana przez turbiny wiatrowe na ogół gwałtownie się zmienia w ciągu dnia gdyż prędkość strumienia powietrza nie jest stała. Dodatkowo ulega zmianom dobowym i rocznym. Ponieważ odbiorcy energii elektrycznej nie chcą być uzależnieni od takich zmian, duże elektrownie wiatrowe muszą być wspomagane bądź przez klasyczne elektrownie, bądź przez systemy magazynowania energii takie jak elektrownia pompowa czy elektrownia gazowa z magazynem powietrza (CASE). Wykorzystanie energii słonecznej równocześnie z wiatrową może częściowo niwelować ten problem. Wyże baryczne charakteryzują się czystym niebem i stosunkowo słabymi wiatrami przy powierzchni, natomiast niże baryczne są zwykle bardziej wietrzne i bardziej pochmurne. Najsilniejsze wiatry wieją w zimie, gdy energii słonecznej jest najmniej. Zatem nie ma stałej prędkości strumienia powietrza (wiatru), wiatr ma bardzo zmienną prędkość i kierunek. Przemysłowe elektrownie wiatrowe są budowane na średnie prędkości wiatru z przedziału (4-25) m/s, natomiast małe elektrownie wiatrowe, których wirniki znajdują się nisko nad poziomem gruntu, ze względu na turbulencje powietrza (zawirowania) są budowa na średnie prędkości wiatru z zakresu (3 15) m/s moc strumienia powietrza na jednostkę powierzchni jednostkowa moc w W/m teoretyczna moc strumienia powietrza do wykorzystania przez łopaty wirnika elektrowni wiatrowej na jednostkę powierzchni moc elektryczna elektrowni wiatrowej pracująca w optymalnych warunkach na jednostkę powierzchni prędkość strumienia powietrza w m/s Rys.8. Moc strumienia powietrza a moc na zaciskach generatora elektrowni wiatrowej w zależności od prędkości strumienia powietrza przepływającego przez powierzchnię 1 m 2 ustawioną prostopadle do kierunku prędkości wiatru

8 Na rys.8 przedstawiono jednostkową moc strumienia powietrza, jednostkową moc teoretycznie możliwą do wykorzystania oraz moc praktycznie osiągalną na zaciskach generatora w funkcji stabilnych prędkości strumienia powietrza. Jednostkowe moce strumienia powietrza obliczono przy gęstości powietrza ρ = 1,225 kg/m 3, zaś jednostkową moc na zaciskach generatora przy iloczynie sprawności mechanicznej, sprawności przekładni i sprawności generatora wynoszącym 0,8. 3. Podstawowe parametry strumienia powietrza (wiatru) jako pierwotnego nośnika energii Ze względu na to, że moc produkowana przez elektrownię wiatrową jest funkcją prędkości strumienia powietrza w trzeciej potędze, średnia arytmetyczna prędkość wiatru w badanym okresie na danym terenie nie jest odpowiednia do oceny ilości energii jaką może wyprodukować elektrownia wiatrowa. Na rys. 9 przedstawiono przykładowe przebiegi pomiarowe prędkości strumienia powietrza, dla których średnia arytmetyczna wartość prędkości wiatru jest jednakowa i wynosi 4,5 m/s. prędkość wiatru w okresach pomiarowych w m/s pomiar 1 pomiar 2 srednia arytmetyczna pomiaru 1, pomiaru 2 średnia predkość wiatru dla produkcji mocy pomiaru 1 średnia predkość wiatru dla produkcji mocy pomiaru numer okresu pomiarowego Rys. 9. Przykładowe przebiegi pomiarowe prędkości wiatru, dla których średnie wartości arytmetyczne prędkości strumienia powietrza w badanym okresie są sobie równe

9 Średnia prędkość wiatru w badanym okresie pomiarowym do obliczenia średniej wartości mocy produkowanej w tym okresie powinna być obliczona ze wzoru V sr = (5) gdzie : v i prędkość wiatru w okresie pomiarowym i, n liczba okresów pomiarowych i. Dla przebiegów pomiarowych obliczono średnie prędkości wiatru dla produkcji mocy w badanym okresie przy założeniu, że elektrownia wiatrowa nie ma ograniczeń wykorzystywania wszystkich prędkości wiatru. Średnia prędkość wiatru dla produkcji mocy w badanym okresie w pomiarze 1 wynosi 6,1 m/s a w pomiarze 2 8,4 m/s. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej na swych mapach meteorologicznych podaje średnie arytmetyczne prędkości wiatru. Dlatego istnieje konieczność pomiaru prędkości wiatru w danej lokalizacji pod kątem energetycznego wykorzystania prędkości strumienia powietrza. Elektrownia wiatrowa wykorzystuje prędkości strumienia powietrza : od tzw. prędkości startowej elektrowni wiatrowej do prędkości nominalnej wiatru na którą to została zbudowana elektrownia wiatrowa. Prędkości strumienia powietrza o wartościach wyższych niż prędkości nominalna na którą elektrownia wiatrowa została zbudowana są wyhamowywane do prędkości nominalnej elektrowni wiatrowej przez poziomy lub pionowy obrót płaszczyzny wirowania łopat wirnika bądź zmiany kąta ustawienia łopat wirnika w stosunku do kierunku wiatru. W małych elektrowniach wiatrowych ster kierunkowy służy do ustawienia płaszczyzny wirowania łopat prostopadle do kierunku wiatru, a ster boczny do poziomego obrotu płaszczyzny wirowania łopat i wyhamowywania prędkości strumienia powietrza do poziomu wymaganego przez elektrownię wiatrową. Na rys. 10 przedstawiono przebiegi prędkości strumienia powietrza na podstawie rzeczywistych pomiarów wykonanych co sekundę i moc strumienia powietrza związanego z jego prędkością. Na podstawie tych przebiegów można dostrzec trudności z jakim trzeba zmierzyć się podczas projektowania elektrowni wiatrowych. Obliczenia wykonano dla powierzchni zataczanej przez wirnik 10 m 2, jest to mały wiatrak, którego długość łopat wynosi 1,8 m. W zaznaczonym zacienieniem okresie (17-19) na rys. 10, prędkości strumienia powietrza wzrasta z 17 m/s do 33 m/s. W tym samym czasie moc przepływającego strumienia powietrza wzrasta z ok. 30 kw do ponad 215 kw a wcześnie był spadek mocy tego strumienia z 200 do 30 kw. Podmuchy o takim przyroście prędkości strumienia powietrza nie występują często ale elementy konstrukcyjne elektrowni wiatrowej muszą zostać przewidziane na ich wystąpienie. Wiele elektrowni wiatrowych szczególnie tych amatorskich nie wytrzymuje spotkania z burzą, a czasami zdarza się to i elektrowniom przemysłowym budowanym profesjonalnie. Energia zawarta w strumieniu jest ogromna i stawia wyzwanie konstruktorom elektrowni wiatrowych aby przechwycić jak największą jej

10 część. Konstruktorzy starają się rozwiązać ten problem stosując układy, które wyłączają silnik wiatrowy po przekroczeniu pewnej ustalonej prędkości strumienia powietrza. Wprowadza to dodatkowe elementy do układu technologicznego i podraża konstrukcję elektrowni wiatrowej, a ponadto skraca czas wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni gdyż nie pracuje ona mimo wiejącego wiatru. Rys.10. Przykładowy przebieg prędkości strumienia powietrza i związanego z nim przebiegu mocy strumienia powietrza Prędkości maksymalne strumienia powietrza, z jakimi mamy do czynienia na każdym terenie, występują w określonych warunkach, np. podczas tzw. podmuchów, czy zjawisk towarzyszących burzom i innym zjawiskom pogodowym. Maksymalne prędkości wiatru występują więc w całych przebiegach tylko w poszczególnych chwilach lub krótkich okresach czasu. Jeśli elektrownia wiatrowa wykorzystywała by strumień prędkości strugi powietrza o prędkości maksymalnej zaobserwowanej podczas pomiarów to pracowałaby by ona tylko w krótkich momentach lub okresach czasu, w których wiatr osiąga prędkości maksymalne. Prawidłowa ocena prędkości strumienia powietrza, którą można wykorzystać do budowy elektrowni wiatrowych, powinna zostać oparta na tzw. rozkładzie częstości występowania poszczególnych wartości prędkości strumienia powietrza. Pomiary prędkości wiatru dokonuje się w przedziałach: sekundowych, 5-cio sekundowych, 15-to minutowych czy godzinnych. Przy krótszych przedziałach czasowych otrzymujemy bardziej przylegający do rzeczywistych warunków przebieg prędkości strumienia powietrza i ogromną liczbę przedziałów pomiarowych gdyż pomiary prędkości wiatru powinna być dokonywane co najmniej przez rok a nawet kilka lat ponieważ prędkość wiatru zmienia się również cyklicznie w wieloletnich okresach. Należy zauważyć, ze są to pomiary wykonywane na określonej wysokości nad poziomem gruntu (npg). Otrzymane pomiary prędkości z roku w formie elektronicznego wykresu poddaje się obróbce polegającej na obliczeniu szerokości klasy dla

11 prędkości strumienia powietrza, a następnie zliczeniu w poszczególnych klasach prędkości jak często wartości prędkości strumienia powietrza powtarzają się. W ten sposób możemy zbudować wykres przedstawiony na rys.rys.11 i 12, na których widoczna jest graficzna analiza udziałów poszczególnych prędkości strumienia powietrza w danej lokalizacji w klasach ( na rysunkach szerokość klasy wynosi 0,5 m/s) w dwóch lokalizacjach A i B. W lokalizacji A prędkość strumienia powietrza 2 m/s występowała w 14,8 % w zarejestrowanych pomiarach, prędkość strumienia powietrza do 3,5 m/s występuje przez 76,9 % w zarejestrowanych pomiarach a cisza trwa przez 4,0 %. Zarejestrowane prędkości strumienia powietrza powyżej 7,0 m/s mają znikomy udział w tej lokalizacji. Jeśli prędkość startowa elektrowni wiatrowej wynosi 3,5 m/s to przez 6738 godzin w roku elektrownia wiatrowa nie będzie produkować energii elektrycznej częstość występowania w % ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 prędkość strumienia powietrza w m/s Rys.11. Częstość występowania prędkości strumienia powietrza w klasach o szerokości 0,5 m/s w roku w lokalizacji A W lokalizacji B prędkość strumienia powietrza 0,5 m/s występowała w 15,0 % w zarejestrowanych pomiarach, prędkość strumienia powietrza do 3,5 m/s występuje przez 79,4 % w roku a cisza stanowi aż 19,0 %. Zarejestrowane prędkości strumienia powietrza powyżej 6,5 m/s mają znikomy udział w produkcji energii w tej lokalizacji. Jeśli prędkość startowa elektrowni wiatrowej wynosi 3,5 m/s to przez 6974 godzin w roku elektrownia wiatrowa nie będzie produkowała energii elektrycznej. A w pozostałym czasie roku stopień wykorzystania elektrowni jest stosunkowo niski.

12 20 18 częstość występowania w % ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 prędkość strumienia powietrza w m/s Rys.12. Częstość występowania prędkości strumienia powietrza w klasach o szerokości 0,5 m/s w roku w lokalizacji B Co zrobić, aby zwiększyć czas użytkowania mocy zainstalowanej małej elektrowni wiatrowej w danej lokalizacji, jeśli występują zbyt niskie prędkości wiatru? Małe elektrownie wiatrowe to obiekty z turbinami o średnicy mniejszej niż 15 m mocy poniżej 50 kw. Jednak większość małych turbin wiatrowych ma średnicę około 7 metrów i moce w zakresie od 1 kw do 10 kw. Bardzo małe elektrownie wiatrowe to urządzenia z turbinami o mocy 1 kw lub mniejszej z średnicą wirnika mniejszą niż 2 m. Średnie turbiny wiatrowe to obiekty mające średnicę wirnika (15-30) metrów i moc (50-250) kw. Aby zwiększyć czas użytkowania mocy zainstalowanej małej elektrowni wiatrowej w danej lokalizacji mogą zostać wykorzystane wszelkie naturalne oraz sztuczne elementy ukształtowania terenu do stworzenia tzw. spiętrzeń linii wiatru. Spiętrzenia te są w istocie fragmentami przestrzeni o zwiększonej prędkości przepływu mas powietrza. Ideę wykorzystania tego zjawiska przedstawiono na rys.13. Na drodze strugi powietrza występuje przeszkoda w postaci np. domu mieszkalnego. Przy sprzyjającym kierunku wiatru linie strugi przepływającego powietrza ulegną zagęszczeniu w przestrzeni nad zadaszeniem budynku. Przekrój A 2 nad przeszkodą dla przepływającej strugi powietrza jest mniejszy niż przekrój A 1 przed przeszkodą, z równania ciągłości strugi wynika, że prędkość strugi powietrza nad przeszkodą znacznie wzrasta.

13 Rys.13. Zagęszczenie linii strumienia powietrza na przeszkodzie Podobny efekt występuje w płaszczyźnie poziomej, kiedy w linii wiatru ustawione są naturalne lub sztuczne elementy krajobrazu tworzące przewężenie przekroju, którym przemieszczają się strugi powietrza (rys.14). Rys.14. Wykorzystanie naturalnych lub sztucznych przeszkód w terenie do spiętrzenia linii strumieni powietrza

14 Elektrownie wiatrowe należy zlokalizować w przekroju A2. Należy zauważyć, że przeszkody tworzą dyszę o stałej orientacji (kierunku) w terenie, a kierunek wiatru nie zawsze jest zgodny z osią dyszy zlokalizowanej w terenie. Znajomość dominującego kierunku wiatru na danym terenie powinien być wskazówką do wyboru lokalizacji dyszy. Innym sposobem na wykorzystanie większej prędkości wiatru jest zwiększenie wysokości posadowienia wirnika elektrowni wiatrowej nad powierzchnią grunt (npg). Prędkości wiatru w zależności od wysokości nad terenem gruntu V 1 można obliczyć z wzoru Suttona gdzie: V 1 =V 0 (H 1 /H 0 ) α (6) V o prędkość wiatru zmierzona na wysokości H o, H o wysokość na której dokonano pomiaru prędkości wiatru V o, H 1 wysokość nad poziomem gruntu dla której chcemy obliczyć prędkość wiatru V 1, α - współczynnik potęgowy zależny od szorstkości terenu, jego wartość można oszacować z rys.15. Rys.15. Graficzna interpretacja szorstkości terenu do wyboru wartości współczynnika α we wzorze Suttona (Źródlo:

15 Wzór pozwala na przybliżone obliczenie prędkości wiatru na innej wysokości niż wykonano pomiar. Dla potrzeb tego wzoru poklasyfikowano tereny z punktu widzenia szorstkości przypisując im klasy szorstkości najczęściej w sześciostopniowej skali szorstkości. Do każdej z klas szorstkości przypisano doświadczalnie ustalony empirycznie współczynnik potęgowy α (rys.15). Jeśli znamy z pomiarów prędkość wiatru V 0 na wysokości H 0 to łatwo obliczyć można prędkość V 1 na wysokości H 1 oszacowując uprzednio szorstkość terenu i na tej podstawie przyjąć odpowiednią wartość wykładnika α. W tabeli 1 przedstawiono jak zmienia się predkość strumienia powietrza w zależności od szorstkości terenu i wysokości nad poziomem gruntu. Pomiar prędkości wiatru na wysokości 10 m npg. Z analizy wartości prędkości obliczonych w tabeli 1 wynika, że zwiekszenie wysokości posadowienia wirnika w terenach o wysokiej szorstkości jest bardziej korzystne niż w terenach o niskiej szorstkosci. Ale w terenach o wyższej szorstkości występują wieksze zawirowania strug powietrza. Tabela 1. Zmiana prędkości wiatru w zalezności od szorstkosci terenu i wysokości nad poziomem gruntu Wysokość nad poziomem gruntu w m Prędkość wiatru Szorstkość terenu α =0,15 α =0,17 α =0,19 α =0,22 α =0,27 α =0, ,00 3,00 3,00 3,00 3,00 3, ,18 3,21 3,24 3,27 3,34 3, ,32 3,37 3,42 3,49 3,61 3, ,44 3,50 3,57 3,67 3,84 4, ,53 3,61 3,69 3,82 4,03 4, ,62 3,71 3,80 3,95 4,20 4, ,69 3,79 3,90 4,06 4,36 4, ,75 3,87 3,99 4,17 4,50 5, ,81 3,94 4,07 4,27 4,63 5,26 4. Małe elektrownie wiatrowe do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania ciepłej wody użytkowej w domach mieszkalnych Małe elektrowni wiatrowe mogą być wykorzystywane do: zaopatrzenia w energie elektryczną gospodarstw domowych, ogrzewania pomieszczeń w domach, podgrzewania ciepłej wody użytkowej w domach mieszkalnych. Okresowe niedobory produkowanej energii elektrycznej przez elektrownię wiatrową spowodowane brakiem o odpowiedniej prędkości wiatru przy zaopatrywaniu gospodarstwa domowego w energię elektryczną mogą być uzupełniane z baterii akumulatorów współpracującej z elektrownią wiatrową.

16 Okresowe niedobory produkowanej energii elektrycznej przez elektrownię wiatrową spowodowane brakiem o odpowiedniej prędkości wiatru powodują, że elektrownie wiatrowe mogą zostać: w komponowane w istniejący system ogrzewania konwencjonalnego, współpracować z wodnym zasobnikiem ciepła lub współpracować z urządzeniami ogrzewania akumulacyjnego. Małe elektrownie wiatrowe praktycznie mogą wspomagać istniejący system ogrzewania, a ich produkcja energii elektrycznej nie zawsze pokrywa się z zapotrzebowaniem na ciepło. Wolumen wyprodukowanej energii elektrycznej przez elektrownię wiatrowe zależy od wyboru jej lokalizacji, która powinna opierać się na analizie warunków meteorologicznych, a w szczególności na analizie prędkości strumienia powietrza. W następnej części artykułu zostaną przedstawione: dobór rodzaju i wielkości małej elektrowni wiatrowej do współpracy z istniejącymi systemami ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej w gospodarstwach domowych oraz analizę celowości stosowania tego typu rozwiązań z ekonomicznego punktu widzenia. Streszczenie Przedstawiono wykorzystanie energii strumienia powietrza w małej elektrowni wiatrowej do wspomagania istniejących urządzeń do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania cieplej wody użytkowej w domu mieszkalnym. Artykuł składa się z dwóch części. W części pierwszej przedstawiono zagadnienia związane z pozyskiwaniem energii z poruszającego się strumienia powietrza oraz wpływu jego prędkości, warunków meteorologicznych i ukształtowania terenu na generację mocy przez małą elektrownię wiatrową W części drugiej artykułu zostaną przedstawione: dobór rodzaju i wielkości małej elektrowni wiatrowej do współpracy z istniejącymi systemami ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej w domu mieszkalnym oraz analiza celowości stosowania tego typu rozwiązań z ekonomicznego punktu widzenia Słowa kluczowe: Mała elektrownia wiatrowa, podstawy teoretyczne, wpływ czynników meteorologicznych i ukształtowania terenu