0 shopping_cart

Energia wiatru

Wiatr jest odnawialnym źródłem energii. Jest to ruch powietrza spowodowany różnicą gęstości ogrzanych mas powietrza i ich przemieszczaniem ku górze. Powoduje to różnicę ciśnień, a naturalna tendencja do ich wyrównywania powoduje powstawanie wiatru.

Światowe zasoby energii wiatru, które nadają się do wykorzystania z technicznego punktu widzenia, to 53 tys. TWh/rok. Ta ilość energii jest 4 razy większa niż wynosiło globalne zużycie energii elektrycznej w 1998 roku.

Najbardziej istotną cechą energii wiatrowej jest jej duża zmienność, zarówno w przestrzeni (geograficzna) jak i w czasie. Zmienność wiatru w czasie dotyczy bardzo szerokiej skali czasu - od sekund do lat. Wyróżnia się następujące rodzaje zmienności w czasie:

Wieloletnią. Na niektórych obszarach obserwuje się wyraźne trendy zmian (prawdopodobnie związane z postępującymi zmianami klimatycznymi). Na ogół występują wyraźne różnice o charakterze przypadkowym między kolejnymi latami, także wtedy, gdy badamy uśrednione warunki wiatrowe na dużych obszarach. Przypadkowa zmienność wiatru w tej skali czasu przekłada się na problemy w prognozowaniu i planowaniu pracy systemu elektroenergetycznego w odpowiednim horyzoncie czasowym.

Roczną. W warunkach Polski średnia siła wiatru jest bardzo mocno zróżnicowana w zależności od pory roku. Rysunek poniżej pokazuje jak w warunkach duńskich wygląda typowy rozkład energii wiatru dla poszczególnych miesięcy roku (polskie wybrzeże ma prawdopodobnie zbliżony rozkład). Istotne jest, że zmienność energii wiatru w tej skali czasu jest dość dobrze przewidywalna. To pozwala wystarczająco dokładnie prognozować wielkość energii, która zostanie wyprodukowana w ciągu roku. Innym ważnym wnioskiem jest to, że energia wiatru jest największa w miesiącach od listopada do marca, czyli wtedy, gdy w warunkach polskich jest ona najbardziej potrzebna.

Synoptyczną. Zmienność kilkudniowa związana ze zjawiskami atmosferycznymi dużej skali (przesuwanie się ośrodków wyżowych i niżowych). Zmienność ta ma charakter przypadkowy i jest trudno przewidywalna.

Dobową. W wielu miejscach pomiary prędkości wiatru wykazują cykliczność o okresie jednej doby. Jest ona związana z lokalnymi powtarzającymi się zjawiskami termicznymi (np. nagrzewaniem się ziemi w ciągu dnia, oziębianiem w nocy i wywołany tym ruch powietrza). W warunkach Polski należy oczekiwać dość dobrego dopasowania się zmian dobowych energii wiatru do zmian zapotrzebowania w sieci. Najmniejsza energia wiatru występuje w nocy, maksimum w środku dnia. Zmienność wiatru w skali czasu synoptycznej, dobowej i minutowej ma wpływ na prowadzenie ruchu systemu.

Energia wiatru w poszczególnych miesiącach roku (wykres powstał na podstawie pomiarów na terenie Danii, ale jest wspólny dla klimatu umiarkowanego).

Minutowa, sekundową. Za te zmiany odpowiadają turbulencje i podmuchy wiatru, przechodzący front burzowy itp. Tego typu zmiany mają charakter przypadkowy, są nieprzewidywalne i należy je traktować jako zakłócenia. Minimalizacje niekorzystnego wpływu zakłóceń wiatru na prace elektrowni wiatrowej mogą zapewnić odpowiednie układy regulacji. Zjawiska powodujące zmienność sekundową są słabo skorelowane nawet w obrębie jednej farmy. Dlatego moc całej farmy wiatrowej wykazuje mniejsze względne zmiany mocy niż pojedyncza siłownia wiatrowa. Zmienność sekundowa ma wpływ na jakość energii.

Typowa zmienność prędkości wiatru w ciągu doby.

Gdybyśmy chcieli odzyskać całą energię, jaką niesie wiatr, powietrze nie mogłoby opuścić wirnika. Nie uzyskalibyśmy wtedy jednak żadnej energii, gdyż powietrze nie mogłoby również wpaść w obszar wirnika. Okazuje się, że najbardziej efektywna jest turbina, która spowalnia wiatr do 2/3 jego początkowej prędkości. Aby to zrozumieć musimy sięgnąć do podstawowego prawa aerodynamiki turbin wiatrowych - prawa Betz'a.

Prawo Betz'a

Załóżmy, że średnia prędkość wiatru przechodzącego przez obszar wirnika jest średnią prędkości niezakłóconego wiatru przed wirnikiem v1 i prędkości wiatru po przejściu przez wirnik v2 czyli (v1+v2)/2. Masa powietrza płynącego przez wirnik w czasie jednej sekundy wynosi:

m = rF(v1+v2)/2

gdzie: m - masa na sekundę; r - gęstość powietrza; F - powierzchnia zakreślana przez wirnik; (v1+v2)/2 - średnia prędkość wiatru przechodzącego przez wirnik. Moc odbierana od wiatru przez wirnik, zgodnie z II zasadą dynamiki Newtona:

P = (1/2) m (v12 - v22)

Podstawiając za masę wyrażenie z poprzedniego równania otrzymamy:

P = (r/4) (v12 - v22) (v1+v2) F

Teraz porównajmy ten rezultat z całkowitą mocą niezakłóconego przepływu powietrza przez taką samą powierzchnię F; nazwijmy ją Po

Po = (r/2) v13 F

Rozpatrzmy teraz takie równanie:

(P/Po) = (1/2) (1 - (v2 / v1)2) (1 + (v2 / v1))

Okazuje się, że wykres funkcji (P/Po) = f(v2 / v1) osiąga maksimum równe 0,59 dla (v2 / v1) = 1/3. Oznacza to, że idealna turbina wiatrowa spowalni wiatr do 1/3 jego pierwotnej wartości i odzyska 59 % energii w nim zawartej.

Moc wiatru zmienia się proporcjonalnie do trzeciej potęgi jego prędkości. Zgodnie z prawem Betz'a maksymalna teoretyczna sprawność zamiany mocy wiatru na moc mechaniczną wynosi 59,3%. Turbiny wiatrowe wykorzystują mniej niż 50% mocy wiatru. Jeżeli przyjmiemy, że gęstość prawdopodobieństwa prędkości wiatru jest opisana rozkładem Weibulla (założenie słuszne dla typowej lokalizacji elektrowni wiatrowej) i uwzględnimy proporcjonalność mocy wiatru do sześcianu jego prędkości to uzyskamy funkcje rozkładu gęstości mocy.

W związku z zależnością od sześcianu prędkości, natura wiatru ma zasadniczy wpływ na wszystkie aspekty procesu konwersji energii wiatru na energię elektryczną, począwszy od wyboru lokalizacji i wyznaczania opłacalności inwestycji, poprzez rozwiązania techniczne turbin, przekładni mechanicznych i generatorów aż po problemy integracji z siecią elektroenergetyczną.

Rozkład gęstości mocy w funkcji wiatru.

Roczna produkcja energii w elektrowni wiatrowej w zależności od średniorocznej prędkości wiatru (elektrownia GE Wind Energy 1.5s, 1500 kW). 

Dhit sp. z o.o.
Internet Explorer Przykro nam, lecz nasz serwis https://elektrownie-tanio.net już nie wspiera przeglądarki Internet Explorer. Proszę zaktualizować przeglądarkę na Google Chrome, Microsoft Edge lub Mozilla Firefox.
help_outline Pomoc

Formularz kontaktowy indeterminate_check_box

Preferowana forma kontaktu

Facebook Youtube