Natura i zasoby energii wiatru


Wiatr jest to poziomy lub prawie poziomy ruch powietrza względem powierzchni ziemi, wywołany przez różnicę ciśnień oraz różnicami w ukształtowaniu powierzchni.

Energia wiatru jest wykorzystywana przez turbiny wiatrowe, które energię kinetyczną wiatru zamieniają na energię mechaniczną a następnie elektryczną.

W dzień ląd ogrzewa się szybciej niż morze. Z tego względu ciepłe powietrze znad lądu unosi się ku górze, a na jego miejsce napływa chłodne powietrze znad morza. Powstaje wówczas ruch powietrza (wiatr) od morza w kierunku lądu zwany bryzą dzienną.
W nocy ląd ochładza się szybciej niż morze z tego względu nocą morze jest cieplejsze niż ląd. Ciepłe powietrze znad morza unosi się ku górze, a na jego miejsce napływa chłodne powietrze znad lądu. Powstaje wówczas ruch powietrza (wiatr) od lądu w kierunku morza zwany bryzą nocną.

W ciągu dnia zimne powietrze w górach leżące bliżej zbocza, w całym przekroju doliny aż po szczyt, szybko się nagrzewa i jest cieplejsze niż powietrze w dolinie. Z tego względu w dzień, w strefie poniżej szczytu, wiatr wieje w stronę zbocza i po zboczu w górę. W nocy, wskutek silnego ochłodzenia zboczy, powietrze leżące bliżej górskich zboczy jest chłodniejsze, niż powietrze znajdujące się w dolinie. Z tego względu w nocy, wiatr wieje w stronę doliny po zboczu w dół.

Energia wiatru jest ściśle skorelowana z prędkością poruszającego się powietrza oraz jego gęstością.

P = ½ × ρ × v³ [W/m²]

P – Powierzchniowa gęstość mocy [W/m²] / ρ – gęstość powietrza [kg/m³] / v – prędkość powietrza [m/s]

Z powyższego wzoru wynika, że energia wiatru zależy wykładniczo od prędkości wiatru.

Ważną cechą energii wiatru jest jej duża zmienność w przestrzeni (zmiana prędkości wiatru wraz z wysokością) i w czasie.

Wyróżnia się następujące rodzaje zmienności w czasie:

• Wieloletnią – Na niektórych terenach zaobserwować można wyraźne różnice o charakterze przypadkowych zmian prędkości wiatru pomiędzy kolejnymi latami również wtedy, gdy badane są uśrednione warunki wiatrowe na dużych obszarach.
• Roczną – W warunkach Polski w zależności od pory roku średnia siła wiatru jest bardzo mocno zróżnicowana. Zauważalna jest większa średnia prędkość wiatru w miesiącach jesienno zimowych od listopada do marca.
• Synoptyczną – Związaną ze zjawiskami atmosferycznymi dużej skali i obserwowaną w przedziale kilkudniowym. (Zauważalna podczas przesuwania się ośrodków wyżowych i niżowych). Zmienność ta ma charakter przypadkowy i jest raczej trudna do przewidzenia.
• Dobową – Na większości obszaru Polski zmienność dobowa prędkości wiatru ma charakter przypadkowy. Na obszarach nadmorskich zaobserwować można dobową zmienność prędkości wiatru w kierunku ląd – morze.
• Minutową, sekundową – Za zmiany te odpowiadają turbulencje i podmuchy wiatru przechodzących frontów burzowych itp. Zmiany te mają charakter przypadkowy, są nieprzewidywalne i traktowane raczej, jako zakłócenia. Zmienność sekundowa ma wpływ, na jakość energii.

Dzienny przebieg wiatru dla centralnej Polski

Miesięczny przebieg wiatru dla centralnej Polski

Roczny przebieg wiatru dla centralnej Polski

 

Czy wiesz, że:

Z uwagi na dużą zmienność prędkości wiatru wykorzystanie energii wiatru wymaga sprawnego systemu bilansowania energii. Z tego względu doskonałym uzupełnieniem farm wiatrowych są elektrownie wodne zwłaszcza szczytowo – pompowe.

Prawo Betz’a

Idealnie skonstruowana turbina wiatrowa podczas swojej pracy jest w stanie spowolnić wiatr do 1/3 jego pierwotnej prędkości w wyniku, czego odzyska 59.3 % energii w nim zawartej. W rzeczywistych warunkach pracy sprawność turbiny jest zawsze niższa niż 59.3 % – limit betza.

Czy wiesz że:

Moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w Polsce to 1095 MW (stan 30.09.2010) a w 2009 r. turbiny wiatrowe dostarczyły 1,029 TWh energii elektrycznej. Oznacza to, że obecnie polski potencjał ekonomiczny energetyki wiatrowej jest wykorzystywany w ok. 1%

W Polsce występuje silna rejonizacja zasobów energii wiatru. Najbardziej korzystne warunki do pozyskiwania energii wiatru występują w rejonach:

• Wybrzeża,
• Rejonie wyspy Wolin,
• Suwalszczyzny,
• Środkowej Wielkopolski i Mazowsza,
• Beskidu Śląskiego i Żywieckiego,
• Bieszczad i Pogórza Dynowskiego.

Rozkład prędkości wiatru silnie zależy od lokalnych warunków topograficznych. Znane są liczne mikro-rejony kraju o korzystnych bądź doskonałych warunkach wiatrowych np. wysokie partie gór. Niestety problemy z dojazdem i przyłączeniem do sieci elektroenergetycznej często dyskwalifikują te tereny, jako korzystne miejsca inwestycyjne dla energetyki wiatrowej.

Zgodnie z pomiarami wykonywanymi prze IMGW 5% obszaru Polski posiada wybitnie korzystne warunki wiatrowe. Na 30% obszaru kraju panują warunki bardzo korzystne a blisko 60 % kraju posiada korzystne warunki do wykorzystania energii wiatru.

Historyczne wykorzystanie energii wiatru

Pierwsze wzmianki o wykorzystaniu wiatru za pomocą wiatraków pochodzą z 1750 r. p.n.e. i znajdują się w kodeksie Hammurabiego. Pierwsze wiatraki wykorzystywane były do mielenia ziarna i nawadniania pól.

Kolejne informacje o starożytnych wiatrakach pochodzą z roku 400-setnego p.n.e. z Indii skąd pochodzi pierwszy opis zastosowania wiatraka do transportowania wody.

 

Energia wiatru w energetyce
Charles Francis Brush skonstruował pierwszą elektrownię wiatrową o mocy 12kW w roku 1888 w Stanach Zjednoczonych. Turbina Brush’a miała średnicę 17 metrów i składała się ze 144 łopat zrobionych z drzewa cedrowego. Poul la Cour zmodernizował projekt Brush’a. Jego koncepcja turbiny zakładała zastosowanie wirnika o kilku łopatach, co było korzystniejszym rozwiązaniem dla generatorów elektrycznych.

Szybki rozwój małej energetyki wiatrowej w Stanach Zjednoczonych i Europie zahamowany został przez ogólnoświatowy kryzys gospodarczy w latach trzydziestych XX wieku a następnie przez II wojnę światową.

Johannes Juul w roku 1950 stworzył pierwszą siłownię wiatrową z generatorem prądu przemiennego. Siedem lat później zbudował on na wybrzeżu Gedser w Danii elektrownię wiatrową o mocy 200 kW, która posiadała trójpłatowy wirnik zwrócony przodem do wiatru tzw. up-wind. Siłownia ta pracowała przez 11 lat a po jej awarii została zakupiona przez NASA, która poprzez swoje badania także przyczyniła się do rozwoju energetyki wiatrowej. Niestety wybudowana przy jej współudziale turbina nad rzeką Columbia o długości skrzydeł około 100m nie miała szans w masowej produkcji siłowni wiatrowych.

W Europie największy rynek turbin wiatrowych rozwinął się głównie w Danii i w Niemczech, gdzie konstruktorzy bazowali na turbinie zbudowanej w Gedser. Na przestrzeni lat 60 i 70 w Europie najpopularniejsze były trójpłatowe konstrukcje o mocy od 10 do 25 kW. Dopiero po roku 1980 duńskie zakłady energetyczne zdecydowały o masowej produkcji turbin wiatrowych o mocy 660kW.

 

 

 

Zalety i wady poszczególnych typów turbin


Turbiny o osi poziomej

Zalety
• posiadają wysoką sprawność do 50%,
• z łatwością mogą być instalowane na wysokich masztach, co umożliwia sięganie po większe zasoby energii wiatru.

Wady
• ze względu na wysoką prędkość obrotową wymagają hamulca, który przy bardzo silnym wietrze zatrzyma turbinę,
• są głośne przy szybszym wietrze,
• wymagają mechanizmu naprowadzania na kierunek wiatru,
• w przypadku umieszczenia generatora w gondoli wymagają zastosowania połączeń ślizgowych.

Turbiny o osi pionowej

Zalety
• cicha praca nawet przy dużych prędkościach wiatru,
• odporność na wiatr o dużej prędkości, kształt wirnika zapewnia aerodynamiczne ograniczenie prędkości obrotowej,
• bezobsługowa praca zespołu prądotwórczego z uwagi na brak połączeń ślizgowych,
• rozpoczynają pracę przy niskich prędkościach wiatru.

Wady
• niska sprawność do 40% (zazwyczaj ok. 20%),
• ze względu na niewielką prędkość obrotową konieczny jest generator wolnobieżny lub przekładnia której zastosowanie zmniejsza sprawność urządzenia i przyczynia się do zwiększenia emisji hałasu.

 

Zalety i wady elektrowni wiatrowych

Zalety
• nie emitują zanieczyszczeń do atmosfery podczas pracy,
• korzystają z nielimitowanych zasobów energii wiatru (brak ryzyka wzrostu cen energii),
• mogą być budowane na nieużytkach (terenach wyłączonych z użytkowania),
• poprawiają bezpieczeństwo energetyczne, uniezależniają kraj od dostaw surowców energetycznych.

Wady
• wysokie koszty inwestycyjne,
• mogą przyczyniać się do destabilizacji systemu elektroenergetycznego – wymagają sprawnie działającego rynku bilansującego, systemów gromadzenia energii,
• głośna praca łopat oraz refleksy świetlne sprawiają, że turbiny nie mogą być budowane na terenach zamieszkałych i siedliskach zwierząt (nie dotyczy małych turbin wiatrowych),
• źle lokalizowane mogą być przyczyną wysokiej śmiertelności wśród ptaków i nietoperzy.

 

Elektrownie wiatrowe w Polsce

Rozmieszczenie mocy w energetyce wiatrowej w poszczególnych województwach Polski. Stan na 31.06.2010 (zobacz tabelę).