Ile można pozyskać prądu z wiatraka na własnej posesji? Cz. II

Transkrypt

1 Ile można pozyskać prądu z wiatraka na własnej posesji? Cz. II Autorzy: Michał Mrozowski, Piotr Wlazło - WIATROMETR.PL, Gdynia ("Czysta Energia" - nr 6/2014) Czy w miejscu mojego zamieszkania wiatr wieje wystarczająco silnie, aby inwestycja w małą turbinę wiatrową była ekonomicznie uzasadniona? To jedno z kluczowych pytań. Warto poznać odpowiedź przed rozpoczęciem inwestycji. Na terenie Polski występują bardzo różne warunki wietrzności od bardzo sprzyjających do skrajnie niekorzystnych, przy których poniesione na elektrownię wiatrową nakłady nigdy się nie zwrócą. Budowa turbiny wiatrowej w oparciu o subiektywne odczucie, że u mnie na pewno wieje, prowadzi najczęściej do nieudanych inwestycji. Wietrzność może być znacząco inna na obszarze zaledwie kilku kilometrów, ponieważ lokalne ukształtowanie terenu, roślinność i zabudowania bardzo mocno wpływają na prędkość wiatru. Ich oddziaływanie jest szczególnie silne na niewielkich wysokościach, na których są instalowane małe turbiny wiatrowe. W niniejszym artykule odpowiadamy na pytania, dlaczego prędkość wiatru jest tak ważna dla inwestycji w małą elektrownię wiatrową oraz jak można pozyskać informację o tym, jakie warunki wietrzności panują na danej posesji. Dlaczego prędkość wiatru jest taka ważna? Wiatr należy traktować jako paliwo dla turbiny, gdyż to on ją napędza. Elektrownie wiatrowe przerabiają to paliwo na energię elektryczną. Im większa prędkość wiatru, który wieje przez wirnik elektrowni wiatrowej, tym więcej prądu. Nie istnieją elektrownie wiatrowe, które produkują dużo prądu przy małym wietrze, tak samo jak nie ma silników, które dają dużo mocy z małej ilości benzyny. Podstawowe równanie energii wiatru, który przechodzi przez wirnik turbiny wiatrowej, ma następującą postać: energia wiatru przechodząca przez wirnik turbiny = 1/2 x gęstość powietrza x powierzchnia, jaką zakreśla wirnik turbiny x prędkość wiatru podniesiona do 3 potęgi Pierwszy parametr w równaniu to gęstość powietrza. Wartość ta jest istotna jedynie przy planowaniu inwestycji wysoko w górach. Planując inwestycję w Polsce, gdzie większość terenów zamieszkałych znajduje się na wysokości do 600 m n.p.m., możemy spokojnie go pominąć. Drugi parametr to wielkość wirnika turbiny wiatrowej. Jak wynika z równania, ma on bezpośrednie przełożenie na ilość energii wiatru, do jakiej ma dostęp planowana przez nas turbina wiatrowa. Parametr ten został dokładnie omówiony w pierwszej części artykułu. Trzecim parametrem jest prędkość wiatru. Co niezwykle ważne, jest ona podniesiona aż do trzeciej potęgi. To właśnie ten fakt powoduje, że prędkość wiatru ma największe przełożenie na produkcję energii elektrycznej przez elektrownię wiatrową.

2 Co oznacza trzecia potęga? Jeśli włożymy do pieca dwa razy więcej węgla, to będziemy oczekiwać, że uzyskamy dwa razy więcej ciepła. W przypadku energii wiatru, gdy wiatr wieje z dwa razy większą prędkością, niesie ze sobą aż osiem razy więcej energii. Przykładowo wiatr wiejący z prędkością 12 m/s niesie aż 64 razy więcej energii niż wiatr wiejący z prędkością 3 m/s. Wynika z tego, że nawet bardzo małe zmiany w prędkości wiatru przekładają się na duże zmiany w produkcji prądu przez turbiny wiatrowe. Aby podwoić energię wiatru, wystarczy, aby jego prędkość wzrosła zaledwie o 26%. Nie jest zatem ważne to, czy wieje, ale jak wieje. To nie przez przypadek firmy, które planują budowę dużych farm wiatrowych, przeprowadzają w wybranym miejscu najpierw roczne lub dwuletnie pomiary wiatru. Przy takich inwestycjach różnice prędkości o 0,1 m/s potrafią się przełożyć w okresie 25 lat na miliony złotych dodatkowego przychodu. W przypadku inwestującego w mały wiatrak będzie bardzo podobnie. Zwiększenie prędkości wiatru o 20-30% często jest możliwe tylko przez zmianę lokalizacji elektrowni wiatrowej na działce lub przez podniesienie wieży turbiny. Zmiany te nie spowodują znacznych nakładów finansowych, a przełożą się na ok. dwukrotny wzrost produkcji prądu. Dlatego też bardzo dokładne poznanie warunków wietrzności w danej lokalizacji jest tak ważne. Mapy wietrzności Polski i modele meteorologiczne Pierwszym krokiem do oszacowania zasobów wiatru w regionie planowanej inwestycji może być mapa wietrzności Polski, którą pokazano na rysunku 1.

3 Obrazuje ona ogólne zasoby wiatru, występujące na danym obszarze. Na jej podstawie można wstępnie stwierdzić, czy na terenie, na którym ma stanąć wiatrak, istnieją korzystne warunki do budowy elektrowni wiatrowej. Jeszcze więcej informacji można uzyskać, korzystając z różnego rodzaju programów symulacyjnych, które bazują na numerycznych modelach prognozy pogody. Posiadają one tę znaczącą przewagę nad mapą, że ukazują prędkości wiatru i umożliwiają dokonywanie wstępnych rocznych prognoz produkcji energii elektrycznej. Niestety, żadna z tych metod nie uwzględnia lokalnych uwarunkowań związanych z ukształtowaniem terenu, jego zabudową oraz roślinnością. Wszystkie te przeszkody wpływają na prędkość wiatru na wysokościach umieszczania małych turbin wiatrowych. Dodatkowo modele i mapy bardzo źle sprawdzają się w terenach górzystych, gdzie znaczące różnice wiatru potrafią wystąpić w bardzo niewielkiej odległości. Pomiar rzeczywistej prędkości wiatru Najdokładniejszą prognozę produkcji prądu uzyskamy, dokonując pomiaru wiatru w miejscu i na wysokości planowanej elektrowni wiatrowej. Taki pomiar pozwala bardzo dokładnie oszacować, ile energii elektrycznej dostarczy ci wybrany generator wiatrowy. Ceny podstawowych zestawów do przeprowadzenia takiego pomiaru wahają się w przedziale zł. Zestaw składa się z sensora prędkości i kierunku wiatru oraz rejestratora, który zapisuje dane z czujników. Przyjęło się, że standardem zapisu danych na potrzeby budowy małych elektrowni wiatrowych jest średnia prędkość wiatru z każdej minuty. Na ich podstawie tworzy się rozkład prędkości wiatru (histogram), który obrazuje, przez jaki procent czasu wiatr wieje w danej lokalizacji z określoną prędkością. Przykładowy rozkład prędkości wiatru został pokazany na rysunku 2. Taka analiza stanowi podstawę do wyliczenia rocznej produkcji energii elektrycznej w danej lokalizacji przez wybraną turbinę wiatrową. Większość programów komputerowych oferowanych przez producentów sprzętu do pomiaru wiatru posiada funkcjonalność

4 automatycznego wyliczania prognoz. Roczna prognoza produkcji energii elektrycznej wyrażona w kwh jest najlepszym sposobem sprawdzenia, czy dana turbina umieszczona na planowanej wysokości wyprodukuje wystarczającą ilość prądu, aby spełnić oczekiwania inwestora. Wartość ta pozwala też wyliczać czas zwrotu oraz rentowność całej inwestycji. Dodatkowym parametrem mierzonym podczas pomiaru wiatru jest jego kierunek. Późniejsza analiza wykaże, z jakich kierunków wiatr w naszej lokalizacji niesie największą ilość energii. Dzięki temu można ustawić elektrownię wiatrową tak, aby najważniejsze kierunki nie były zasłonięte przez budynki, drzewa i inne przeszkody. Podstawowym wykresem, który obrazuje najbardziej istotne kierunki wiatru, jest róża wiatru. Przedstawia ona, przez jaki procent czasu wiatr wiał w danym kierunku. Przykładową różę wiatru pokazano na rysunku 3. Jak już wspomniano, pomiar wiatru powinien zostać przeprowadzony w miejscu i na wysokości planowanej elektrowni wiatrowej. Oznacza to, że sensory prędkości i kierunku wiatru winny znaleźć się na wysokości gondoli elektrowni wiatrowej. W tym celu używa się najczęściej masztów pomiarowych. Typowe wysokości dla małych elektrowni wiatrowych mieszczą się w zakresie metrów. Na fotografii pokazano instalację do pomiaru prędkości i kierunku wiatru na maszcie o wysokości 15 metrów.

5 Bardzo dobrą praktyką jest pomiar wiatru na dwóch wysokościach. Zazwyczaj drugi sensor umieszcza się 5 metrów poniżej wierzchołka masztu. Różnica wskazań obu sensorów pozwala nam na oszacowanie wzrostu prędkości wiatru wraz z wysokością. Dzięki temu będziemy w stanie dobrać optymalną wysokość wieży do planowanej turbiny wiatrowej. Co ważne, dołożenie kolejnego sensora prędkości nie powinno mieć dużego wpływu na wzrost kosztów całego przedsięwzięcia. Pomiar prędkości wiatru to najdokładniejsza metoda szacowania warunków wietrzności w danej lokalizacji. Niestety, metoda ta nie jest wolna od wad. Największa z nich to czas takiego pomiaru. Ze względu na sezonowość prędkości wiatru w Polsce, pomiar powinien trwać minimum sześć miesięcy. Najbardziej miarodajne są jednak wyniki z całego roku. Czy warto mierzyć prędkość wiatru? Z doświadczania autorów oraz z opinii ekspertów wynika, że zdecydowanie tak. Po pierwsze, w przypadku lokalizacji o małej wietrzności pomiar wiatru uchroni inwestora przed złą inwestycją o znacznej wartości. Po drugie, odpowiednio przeanalizowane dane z pomiaru mogą znacząco zwiększyć produkcję energii elektrycznej w wybranej elektrowni wiatrowej. Tak jak już wspomniano, wzrost prędkości wiatru zaledwie o 26% powoduje zwiększenie energii wiatru o 100%. Jest więc o co walczyć.