CYKL POWIETRZNY W BILANSIE PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO W cyklu powietrznym jest jeden z najniszych udziałów energii promieniowania słonecznego. Jest to zaledwie około 0,3% (około 4 W/m 2 ) strumienia energii słonecznej docieraj- cego do granicy atmosfery ziemskiej.
ZASOBY ENERGII WIATRU - EUROPA Mazoskalowa mapa rednich rocznych prdkoci wiatru w Europie. Północne rejony Polski maj korzystne warunki wiatrowe. Najlepsza poda energii wiatru jest obserwowana na morzach (Bałtyk szczególnie cz południowa, Morze Północne, Morze Norweskie). Rejon mórz i duych jezior jest uwaany za teren o zerowej klasie szorstkoci (teren gładki ) ZASOBY ENERGII WIATRU POLSKA - 1 Mezoskalowa Mezoskalowamapa mapawiatrów -- 1
ZASOBY ENERGII WIATRU POLSKA - 2 Mezoskalowa Mezoskalowamapa mapawiatrów -- 2 Mapa po lewej stronie pochodzi z pocztku lat 90-tych, mapa po prawej stronie - dokładniejsza zkoca lat 90-tych. Pomiary s wykonane na wysokoci 10 m n.p.g. Widoczne s due podobiestwa na obu mapach: - północna cz kraju ma dobre warunki wiatrowe, - rodkowa cz kraju warunki do korzystne, - lsk, Małopolska, południowo-wschodnia wschodnia cz Warmii i Mazur, Polesie warunki wiatrowe niekorzystne. Szacowana,,dlarónych stref, roczna poda energii wiatru oraz ilo rocznie uzyskanej energii elektrycznej w dolnej tabelce odnosi si do strugi wiatru o powierzchni przekroju równej 1 m 2. Elektrownie wiatrowe s posadowione na wieach. Wysoko wiey jestj zalena od mocy zainstalowanej w elektrowni oraz od warunków poday wiatru. - Elektrownie o mocy do około 250 kw - wiea owysokoci około 30 m. - Elektrownie o mocy 500 800 kw wiea o wysokoci około 50 m. - Elektrownie o mocy 1 500 2000kW iwiksze wiea owysokoci około 100 m. Prdkoci wiatru na tych wysokociach s inne, ni na wysokoci 10 m n.p.g. S zalene od rzeby terenu i rozmieszczenia na nim rónych obiektów. To jest opisane tak zwan klas szorstkoci terenu ZASOBY ENERGII WIATRU POLSKA - 3 Mezoskalowa Mezoskalowamapa mapawiatrów -- 3 Na mapie naniesione s izolinie rocznej poday surowej energii wiatru, niesionej przez strug wiatru o powierzchni przekroju 1m 2 na wysokoci 30 m nad poziomem gruntu (30 m n.p.g.). Mapa jest sporzdzona na podstawie wyników 30-letnich pomiarów prdkoci wiatru wykonanych przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej w latach 1971 2000. Lokalizacja obszarów korzystnych dla energetyki wiatrowej wykazuje due podobiestwo do wyej pokazanych map wiatru. Podobnie jest z lokalizacj obszarów niekorzystnych. Rónice wskaza wynikaj zarówno ze obserwowanych zmian klimatycznych jak te, co jest chyba najbardziej istotne, z innej wysokoci pomiarów wiatru (tu: 30 m n.p.g.)
SZORSTKO TERENU - 1 Ilustracja zmiany prdkoci wiatru dla rónych klas szorstkoci terenu Kategori terenu opisuje si klas szorstkoci. Istnieje kilka sposobów klasyfikacji klasy szorstkoci, które s do siebie zblione. Obok: pierwszy sposób klasyfikacji (wg opracowa duskich). Według Według danych danych z z roku roku 2002 2002 SZORSTKO TERENU - 2 Bardziej dokładna klasyfikacja klas szorstkoci terenu
SZORSTKO TERENU - 3 Prdko wiatru w - i niesiona przeze energia E - wzrasta ze wzrostem wysokoci połoenia nad poziomem gruntu Wykładnik potgi - α - opisuje zmian prdkoci wiatru ze zmian wysokoci połoenia nad poziomem gruntu. Ze zmian prdkoci zmienia si energia wiatru, którazezmian wysokoci zmienia si wpotdze 3α. w E 1 1 = w = E 0 0 h h h h 1 0 1 0 α 3α Uwaga! Tu: Wysokoci: h 1 ih 2 nale do tej samej klasy terenu! Wykładnik potgi - α - jest zaleny od: - szorstkoci podłoa (terenu), - prdkoci wiatru, - okresu uredniania danych SZORSTKO TERENU - 4 Wykładnik potgi - α - dla rónych klas szorstkoci terenu. Czas uredniania - 1 godzina
SZORSTKO TERENU - 6 Graficzna ilustracja klas szorstkoci terenu (wg opracowa duskich ich) Klasa szorstkoci 0 Klasa szorstkoci 1 Klasa szorstkoci 2 Klasa szorstkoci 3 SZORSTKO TERENU - 7
PODA ENERGII WIATRU - 1 Zasoby energii wiatru (energia pierwotna surowa) s mierzone czstoci wystpowania prdkoci wiatru w zadanych przedziałach prdkoci. Informacje zbiera si z wykonanych pomiarów. Do celów energetyki wiatrowej j wymagane s przedziały co pół metra. Wiarygodne reprezentatywne dla danego miejsca (rejonu) wyniki pomiarów musz by zbierane przez kilkanacie/kilkadziesit lat (np. okres 30 lat). Rozkład czstoci wystpowania prdkoci wiatru, przedstawiony jestj zwykle w postaci histogramu, do oblicze wygodne jest przedstawi go w postaci funkcji analitycznej. nej. Najczciej jest to funkcja Weibulla,, czasami jest stosowana funkcja Rayleigha. Ogólna posta funkcji Weibulla: F(w) = k C w C k 1 C - współczynnik skali k - współczynnik kształtu EXP w C k Przykładowa ilustracja graficzna aproksymacji schodkowego rozkładu czstoci wystpowania prdkoci wiatru analityczn funkcj Weibulla oraz funkcj Rayleigha PODA ENERGII WIATRU - 2 Przykład histogramu z pomiarów rozkładu czstoci prdkoci wiatru oraz funkcji Weibulla aproksymujcej uzyskane wyniki eksperymentalne. Opracowanie wyników pomiarów dla farmy wiatrowej Zagórze (koło Szczecina) wykonane przez dusk firm Vestas
PODA ENERGII WIATRU - 3 Poda energii wiatru zmienia si wraz ze zmian wysokoci połoenia nad poziomem gruntu. Obok: Przykład zmiennoci poday, opisany rozkładem czstoci prdkoci wiatru na rónych wysokociach: 60 m, 70 m, 80 m, 90 m i 100 m. Jak wida: imwiksza wysoko tym rozkłady czstoci przesuwaj si bardziej ku wikszym prdkociom wiatru. Jest to zgodne ze zmian profilu prdkoci wiatru (patrz wyej). Zjawisko to jest korzystne dla ener- getyki wiatrowej dopóty, dopóki zakres prdkoci wiatru mieci si w granicach od 4 m/s do 25 m/s. W tym zakresie prdkoci wiatru pracuje wikszo elektrowni wiatrowych. SZCZEGÓŁY KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WIATROWYCH - 1 Na fotografii s widoczne elektrownie Vestas V80-2.0 o jednostkowej mocy znamionowej 2MW.. Fotografia jest wykonana podczas budowy farmy wiatrowej koło Darłowa..Wida ustawianie wiey kolejnej siłowni. Tu jest typ elektrowni z wirnikiem poziomym i trójłopatow turbin. Na wiey,,owysokoci 100 m, m posadowiona jest gondola,,wktórej znajduje si zestaw maszyn: wał turbiny, przekładnia obrotów, generator i inne urzdzenia. Turbina wiatrowa ma rednic 80 m. m
SZCZEGÓŁY KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WIATROWYCH - 2 Szczegóły konstrukcyjne gondoli elektrowni.z wirnikiem poziomym i z szybkoobrotowym generatorem asynchronicznym SZCZEGÓŁY KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WIATROWYCH - 3 Szczegóły konstrukcyjne gondoli elektrowni.z wirnikiem poziomym i z wolnoobrotowym generatorem synchronicznym. Elektrownia firmy Enron Wind
SZCZEGÓŁY KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WIATROWYCH - 4 Wymiary gabarytowe duych elektrowni wiatrowych s zalene od przewidywanej lokalizacji, co równoczenie oznacza spodziewane warunki poday energii wiatru. Elektrownie ldowe musz mie wysz wie, zewzgldu na urozmaicon rzeb terenu. Elektrowni morskie mog mie nisz wie ze wzgldu na wysz wietrznow w porównaniu do warunków ldowych. Im s lepsze warunki wiatrowe, tym mniejsza rednica wirnika turbiny jest potrzebna do uzyskania tej samej mocy elektrowni. MOC ELEKTROWNI WIATROWYCH - 1 Przykładowe charakterystyki P/P n =f(w) elektrowni Vestas (w jednostkach wzgldnych)
MOC ELEKTROWNI WIATROWYCH - 2 Dla polskich warunków wiatrowych, sporód wskazanych elektrowni Vestas, najkorzystniejsze pod wzgldem głbokoci wykorzystania energii wiatru wydaj si by elektrownie: - V20 - o mocy 109 kw, - V47 - o mocy 660 kw, - V27 - o mocy 225 kw, - V30 - o mocy 500 kw WYDAJNO ELEKTROWNI WIATROWYCH - 1 Obliczenie wytwarzanej energii elektrycznej Zamiana wykresu cigłego na schodkowy Ilustracja graficzna algorytmu obliczeniowego a) ) rozkład czstoci wiatru, b) ) charakterystyka mocy elektrowni, c) ) wytworzona energia elektryczna w kolejnych przedziałach prdkoci wiatru
WYDAJNO ELEKTROWNI WIATROWYCH - 2 Wyniki obserwacji oraz dane z eksploatacji dla elektrowni wiatrowej w Lisewie. ZASOBY ENERGII WIATRU a WYDAJNO ELEKTROWNI WIATROWYCH Niekorzystna zmiana rozkładu czstoci prdkoci wiatru polega na tym, e zwiksza si czsto wystpowania małych prdkoci wiatru natomiast zmniejsza si czsto energetycznych prdkoci wiatru (w zakresie prdkoci od 4 m/s do 25 m/s). W rezultacie tych zmian nastpuje zmniejszenie iloci wytwarzanej energii elektrycznej w elektrowniach wiatrowych. Dodatkowo, oprócz tych zmian, obserwuje si wzrost czstoci wystpowania wiatrów huraganowych,,których nie mona wykorzysta do celów energetycznych. Maj one prdkoci znacznie przekraczajce 25 m/s i mog spowodowa uszkodzenia w elektrowniach. Powstaje wic problem właciwego przewidywania produkcji energii elektrycznej w elektrowniach wiatrowych oraz pytanie o moliwo rozwoju energetyki wiatrowej. Zdaniem meteorologów niekorzystne zmiany maj charakter powszechny. Powstaje wic pytanie, czy maj one tendencj przejciow czy stał?
Załcznik 1-1 Moc surowa strugi wiatru - wyprowadzenie wzorów Załcznik 1-2 Moc surowa strugi wiatru - wyprowadzenie wzorów
Załcznik 1-3 Moc elektrowni wiatrowej P = 6,1 10 4 A w w 3 c p η η m g, kw A w w c p η m η g - - - - - powierzchnia zataczana łopatami wirnika, m 2, prdko wiatru, m/s, sprawno aerodynamiczna turbiny (współczynnik wydajnoci turbiny), sprawno mechaniczna (wał turbiny, przekładnia obrotów, wał generatora,... ), sprawno elektryczna generatora Załoenie: gsto powietrza jest równa ρ =1,22kg/m 3. Załcznik 3-1
Załcznik 3-2