Energia elektryczna z powietrza cz.1. Parametry wiatru

Energia elektryczna z powietrza cz.1. Parametry wiatru

Wyobraźmy sobie, że nagle zostajemy odcięci od źródeł energii elektrycznej… Powiecie: to już było – to jasne – katastrofa.
No dobrze, ale co można zrobić, aby zapobiec katastrofie ratując się choć w pewnym stopniu? Złapać energię w powietrzu.

Od wieków człowiek wykorzystuje wiatr. Żaglowce, wiatraki sprzężone z młynem, wreszcie turbiny wiatrowe. Czym jest ten wiatr? Wiatr to skutek przesuwania się ogromnych mas powietrza z obszarów o wyższym ciśnieniu do obszarów o ciśnieniu niższym. To jest oczywiście wielkie uogólnienie, pamiętajmy jednak, że pierwotną przyczyną wszelkich ruchów powietrza na Ziemi jest energia słoneczna. Na skutek ogrzewania powierzchni Ziemi przez Słońce, zwiększa się jej temperatura. Proces ten jest bardzo nierównomierny. Ogrzane powietrze unosi się ku górze i jego miejsce zajmowane jest masami chłodnego powietrza. W tym samym czasie Ziemia obraca się wokół swojej osi, na skutek czego Słońce ogrzewa tylko część jej powierzchni w danym okresie czasu. Proces powstawania cyrkulacji powietrza w atmosferze jest dodatkowo komplikowany także przez ukształtowanie terenu, nierównomierne rozmieszczenie lądu i wody na powierzchni kuli ziemskiej, nierówne naświetlenie różnych terenów i wiele innych czynników, które powodują, że wiatr wieje z różnym natężeniem oraz kierunkami na różnych terenach, a parametry te są zmienne w czasie.

W dzisiejszych czasach niesamowite znaczenie ma fakt, że wiatr jest źródłem energii, które samo z siebie nie jest źródłem żadnych zanieczyszczeń. Jeśli rozpatrywać opłacalność produkcji energii elektrycznej z wiatru… nie jest to raczej opłacalne – przynajmniej w Polsce. Mówimy oczywiście o nas – jednostkowych producentach i jednocześnie konsumentach takiej energii. Proces produkcji energii elektrycznej z wiatru jest niesamowicie prosty w swej istocie, ale aby się połączyć z siecią energetyczną i sprzedawać tę energię bądź ograniczać jej zużycie, trzeba zadbać o to, aby parametry prądu produkowanego przez nas były zgodne z parametrami prądu przesyłanego siecią. To już nie jest proste.

Ale co w sytuacji, kiedy sieć nie funkcjonuje lub tracimy z nią kontakt? Energia elektryczna z wiatru jest bezcenna.

Niestety warunki wiatrowe dla budowy typowych siłowni wiatrowych nie są optymalne we wszystkich obszarach naszego globu. Dotyczy to także naszego kochanego kraju, a przynajmniej większości jego powierzchni. Nie sugerujmy się rosnącymi farmami wiatrowymi. Nie, nie… mówimy o małej energetyce wiatrowej. Mówimy o przydomowych elektrowniach wiatrowych.

Jak więc zdecydować, czy inwestować w elektrownię wiatrową?

Zadajmy sobie kilka pytań:
– czy mamy gdzie postawić turbinę wiatrową?
– jak sprawdzić, czy obserwowany przez nas wiatr za oknem nadaje się do produkcji energii elektrycznej?
– jakie urządzenia musimy zdobyć, aby wszystko zaczęło pracować?

Na te wszystkie pytania postaramy się odpowiedzieć poniżej.

Po pierwsze: gdzie mogę umiejscowić turbinę wiatrową?

Odpowiedź nie jest prosta, ale jeśli mamy kawałek terenu, na którym wydaje nam się, że wciąż wieje, to jest on jak najbardziej dobry. Jeśli jesteśmy szczęśliwym posiadaczem domu, to też dobra wiadomość. Małe turbiny wiatrowe nie wymagają bowiem takiego zachodu jak te wielkie, spotykane na różnych trasach i zdobiące (według niektórych szpecące) krajobraz. Istnieje bowiem szereg rozwiązań, dzięki którym nie musimy mieć pozwolenia na budowę, decyzji środowiskowych, ani żadnych tego typu dokumentów.

Po drugie: jak ocenić, czy nasz wiatr potrafi wyprodukować energię elektryczną?

Badania prowadzone przez wiele instytucji potwierdza, że mimo słabych warunków wiatrowych wynikających z tzw. map wiatrowych kraju, można próbować umiejscawiać małe siłownie wiatrowe korzystające z lokalnych, korzystnych warunków wiatrowych. O tym napiszę innym razem dokładniej.

Jakie więc parametry brać pod uwagę?

Podstawowym parametrem energii wiatrowej jest prędkość wiatru. W mediach mówią na to „siła wiatru”, ale to jeden z dowodów na totalne niezrozumienie tematu przez „mądrych” redaktorów. W przypadku projektów opartych na turbinach wiatrowych nastawianych na kierunek wiatru, parametrem pracy staje się również kierunek wiatru, Ma on znaczenie głównie ze względu na proces sterowania siłownią wiatrową. Prędkość i kierunek wiatru zmienia się wielokrotnie w ciągu dnia, miesiąca i w trakcie różnych sezonów.

Tu powinniśmy zając się kilkoma tzw. wzorami matematycznymi, opartymi o całki, ale nie jesteśmy przecież naukowcami (no może niektórzy jednak są). W każdym razie, wszelkie rachunki dla danej lokalizacji, możemy sprowadzić do następującego wzoru:

wzorek1

gdzie:

ro– przyjęta do obliczeń, średnia gęstość powietrza

deltat – jednostka czasu, w której prędkość wiatru uważa się za stałą (odstęp czasu między poszczególnymi pomiarami wartości średniej prędkości wiatru)

v – prędkość średnia wiatru obserwowana w jednostce czasu deltat.

n – liczba jednostek czasu, dla których wykonywano pomiary prędkości wiatru

Obliczenia za pomocą powyższej zależności są tym dokładniejsze, im częściej będzie dokonywany pomiar średniej prędkości wiatru.
Obliczenia za pomocą powyższej zależności są tym dokładniejsze, im częściej będzie dokonywany pomiar średniej prędkości wiatru.

Publikacje dotyczące oceny warunków wiatrowych pod kątem wykorzystania ich do budowy siłowni wiatrowych bardzo często posługują się wielkością średniej prędkości wiatru na danym terenie. Zastosowanie prędkości średniej powoduje poważne uproszczenie obliczeń i algorytmu doboru typu siłowni wiatrowej. Jest jednak obarczone błędem w rozumowaniu. Popatrzmy na rys.1.

rys1
Rys.1. Przykładowe przebiegi pomiarowe prędkości wiatru, dla których średnia wartość jest równa.

Zamieszczono na nim dwa przykładowe przebiegi zmienności wartości prędkości wiatru w czasie (P1 – kolor niebieski, P2 – kolor czerwony) oraz zaznaczono wartość średnią obliczoną dla każdego z przebiegów (linia zielona). Na osi poziomej odmierzono jednostki czasu. Mimo faktu, że w trzeciej godzinie pomiarów w przebiegu P2 zaobserwowano prędkość wiatru równą 16 m/s, podczas gdy w przebiegu P1 tylko 6 m/s, w całym okresie pomiarów uzyskano średnią prędkość równą 4,6 m/s. Dla obu przebiegów.
Oceniając warunki wietrzności według średniej prędkości wiatru, oba przebiegi byłyby zatem tak samo dobre, albo tak samo złe. Rozpatrując jednak konkretne wartości w przebiegach, seria P2 byłaby korzystniejsza z punktu widzenia wykorzystania energii wiatru. Dlaczego? Ze względu na występujące wyższe wartości prędkości wiatru w tym samym okresie czasu w porównaniu do serii P1.
Zastanówmy się więc, czy decyduje maksymalna wartość prędkości wiatru? Właśnie ją podaje się jako argument w celu zachęcenia do inwestycji związanych z energetyką wiatrową. Prędkości maksymalne występują na każdym terenie 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.

Kiedy więc projektujemy siłownię wiatrową, powinniśmy przejmować się mocno wartością maksymalną wiatru, bo właśnie wtedy nasza konstrukcja może ulec zniszczeniu, oderwaniu od podłoża i może spowodować katastrofę. Patrząc jednak z punktu widzenia oceny warunków wiatrowych pod kątem możliwości wykorzystania do produkcji energii elektrycznej, prędkość maksymalna nie jest jednak decydującym parametrem. Zakładając bowiem, że siłownia wiatrowa miałaby być napędzana wiatrem o prędkości maksymalnej zaobserwowanej podczas pomiarów, pracowałaby tylko w krótkich momentach lub okresach czasu, w których wiatr osiąga prędkości maksymalne.

Co więc decyduje?

Potrzebne są pomiary. Uczciwe pomiary prędkości wiatru w pewnym okresie. Im dłuższym tym lepiej. Do prawidłowej analizy warunków wiatrowych pod kątem konwersji energii wiatru za pomocą turbin wiatrowych należy posłużyć się bowiem rozkładem występowania poszczególnych prędkości wiatru w czasie. Na rys. 2 przedstawiłem przykładowe wyniki pomiarów przeprowadzonych na terenie miasteczka akademickiego w Olsztynie.

rys2
Rys.2. Częstość występowania średnich prędkości wiatru w trakcie wykonywania badań. (Źródło: badania UWM)

Na rys.2. widoczna jest graficzna analiza udziałów poszczególnych prędkości wiatru, jakie obserwowano podczas badań w dłuższym okresie czasu. Przyjęte wartości prędkości wiatru są wartościami średnimi zaobserwowanymi w przyjętych krótkich okresach czasu t.
Z wykresu wynika, że w całym okresie badań najczęściej wiatr osiągał prędkość ok. 2,7 m/s (12% zarejestrowanych pomiarów). Mimo faktu występowania podmuchów wiatru o prędkości ponad 6 m/s, w całej próbie, miały one z kolei niewielki udział.

Korzystając z otrzymanego rozkładu prędkości w czasie można wyznaczyć energię wiatru:
wzorek2

gdzie:
u% – udział procentowy liczby jednostek czasu, w których zaobserwowano prędkość v w ogólnej liczbie odcinków czasowych, w której prowadzono badania.
n – liczba zarejestrowanych różnych wartości prędkości wiatru podczas badań

Uzyskane w ten sposób wyniki potwierdzają, że planując jakiekolwiek wykorzystanie energii wiatrowej w miejscu pomiaru, należy przyjąć występowanie prędkości wiatru do 4,5 m/s przez ok. 80% czasu. Tylko w pozostałych 20% czasu można spodziewać się wyższych prędkości. Czy to oznacza, że nie ma szans na zastosowanie elektrowni wiatrowej w podobnych warunkach?
Otóż są!
Współczesne mikrosiłownie wiatrowe mogą rozpoczynać swoją pracę już przy prędkości wiatru ok. 3÷5 m/s. Jednak należy dobrze przeanalizować koszty i korzyści.
Dodatkowo możemy posłużyć się kilkoma sztuczkami.

Jaką konstrukcję turbiny wiatrowej wybrać? Gdzie konkretnie ją postawić? O tym już wkrótce, jeśli tylko znajdę chwilę czasu.

Źródła:

  1. Nalepa K., Miąskowski W., Pietkiewicz P., Piechocki J., Bogacz P., Poradnik Małej energetyki wiatrowej, Warmińsko-Mazurska Agencja Energetyczna, Olsztyn 2011
  2. Miąskowski W., Nalepa K., Pietkiewicz P., M. Wilamowska-Korsak, 2009 Analiza warunków wiatrowych w aspekcie produkcji energii w przydomowych siłowniach wiatrowych. Nr arch. 92/09 IMP PAN, Gdańsk

Leave a Comment