Wiatrometr.pl

Baza wiedzy

PODSTAWY FIZYKI WIATRU

 

Wstęp

Zrozumienie fizyki energii wiatru jest bardzo ważne w przypadku planowania inwestycji w elektrownię wiatrową. Zakres wiedzy przedstawiony poniżej nie jest prosty. Jednak jest to związane z faktem, że przeprowadzenie udanej inwestycji w małą elektrownię wiatrową też nie jest łatwe. Zrozumienie podstaw fizyki energii wiatru oraz zasad funkcjonowania wszystkich urządzeń składających się na system małej elektrowni wiatrowej wraz z dokładnym oszacowaniem warunków wietrzności w Twojej lokalizacji to klucz do udanej inwestycji.   

 

Prędkość wiatru

Podstawowymi rodzajami wskaźników, które definiują prędkość wiatru na potrzeby energetyki wiatrowej są: prędkość chwilowa oraz prędkość średnia. Każda z tych wartości jest wyrażana najczęściej w metrach na sekundę (m/s). Jest to również jednostka przyjęta w systemie wiatrometr.pl.

Dodatkowym wskaźnikiem, który bardzo dobrze określa nam warunki wietrzności w danej lokalizacji jest rozkład prędkości wiatru. Można w uproszczeniu powiedzieć, że jest on najważniejszy z nich wszystkich i stanowi podstawę do szacowania produkcji energii elektrycznej z elektrowni wiatrowej.

 

  • Chwilowa prędkość wiatru

To nic innego jak prędkość wiatru w danej chwili. Jest to bardzo zmienna w czasie wartość i rzadko utrzymuje się na tym samym poziomie dłużej niż przez kilka sekund. Patrząc z perspektywy inwestycji w małą turbinę wiatrową, sama pojedyncza wartość prędkości chwilowej jest dla nas praktycznie bezużyteczna. To co jest jednak dla nas bardzo ważne to zmierzenie i zapisanie historii bardzo wielu prędkości chwilowych np. z okresu jednego roku. Taki zbiór stanowi podstawę do wyliczania prognoz produkcji energii elektrycznej przez turbiny wiatrowe.

 

  • Średnia prędkość wiatru

Średnia prędkość wiatru pozwala w prosty sposób opisywać zasoby wiatrowe panujące w danej lokalizacji. Jest to średnia arytmetyczna wszystkich zmierzonych w danym przedziale czasowym prędkości chwilowych. Dzięki niej można w bardzo prosty sposób charakteryzować warunki wietrzności w danym miejscu. W Polsce mamy olbrzymią różnorodność warunków wietrzności od skrajnie niekorzystnych dla energetyki wiatrowej do bardzo korzystnych. Są tereny gdzie średnia prędkość wiatru nie przekracza 3 m/s. Na takim obszarze instalowanie turbin wiatrowych jest zupełnie pozbawione sensu, bo inwestycja nigdy się nie zwróci. W okolicach wybrzeża znajdują się lokalizacje, gdzie średnia prędkość wiatru przekracza 6 m/s. 

Średniej prędkości wiatru nie powinno się jednak używać do przygotowywania prognoz produkcji energii elektrycznej przez turbinę wiatrową. Wynika to z faktu, że energia wiatru rośnie z trzecią potęgą prędkości, co wyjaśniono dokładnie w dalszej części tego rozdziału. 

 

  • Rozkład prędkości wiatru

Rozkład prędkości wiatru, inaczej zwany histogramem, bardzo dokładnie charakteryzuje prędkości wiatru występujące w danej lokalizacji. Stanowi on podstawę do obliczeń prognozy produkcji energii elektrycznej przez turbiny wiatrowe. Przygotowuje się go na podstawie historii prędkości chwilowych, licząc ile razy dana prędkość wystąpiła w pomiarach. Przykładowy rozkład prędkości wiatru wygląda następująco:

Na osi poziomej (X) przedstawione są prędkości wiatru, od wartości 0 (braku wiatru) do wartości maksymalnej, jaka występuje w danej lokalizacji. Na osi pionowej (Y) pokazana jest częstość występowania wiatru o danej prędkości. Jest ona wyrażona w procentach. Przykładowo, jeśli słupek przypisany do prędkości 5 m/s ma wartość 10%, interpretujemy to, że w ciągu roku taka prędkość wiatru występuje przez 10% czasu.

Rozkład prędkości wiatru stanowi podstawę do wyliczania produkcji energii elektrycznej przez turbiny wiatrowe. W przypadku dużych turbin wiatrowych, które dysponują mocą setek kilowatów, otrzymany z pomiarów histogram, modyfikuje się jeszcze z użyciem rozkładów prawdopodobieństwa. Na potrzeby małych turbin wiatrowych, jest on jednak w zupełności wystarczający.

 

Podstawowe równanie energii wiatru

Poprawne zrozumienie podstawowego równia energii wiatru jest bardzo ważne. Pozwoli ci ono wyciągnąć bardzo istotne wnioski co do znaczenia znajomości warunków wietrzności w twojej lokalizacji. Pozwoli ci również podjąć prawidłowe decyzje dotyczące inwestycji i odpowiednio ocenić informacje otrzymywane od sprzedawców i instalatorów turbin wiatrowych. Równanie 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  

Pamiętaj, że energia wiatru przechodząca przez wirnik, nie oznacza, że turbina wyprodukuje taką energię. Elektrownie wiatrowe są w stanie odzyskać tylko część tej energii. Każda z nich ma swoją efektywność, która zmienia się dla różnych prędkości wiatru. Wynik otrzymany z równania należy traktować jako potenciał energii która przemieszcza się wraz z powietrzem i część z niej można odzyskać. Energię wiatru należy traktować jako paliwo dla turbiny, gdyż to ona ją napędza. Odpowiednie elektrownie wiatrowe, z różną charakteryzująca je efektywnością będą przerabiać to "paliwo" na energię elektryczną. Im więcej tego "paliwa" dostanie elektrownia wiatrowa, tym więcej prądu wyprodukuje. 

 

Wskazówka

Jeśli będziesz chciał poznać efektywność danej turbiny wiatrowej, wystarczy że wprowadzisz jej krzywą mocy do bazy naszego systemu oraz podasz średnicę wirnika. Zostanie ci wtedy wyświetlony wykres jej efektywności.

 

  • gęstość powietrza

Stanowi pierwszy element równania, jednak jest on dla Ciebie najmniej istotny, gdyż zupełnie nie masz na niego wpływu. W uproszczeniu parametr ten zależy od ciśnienia atmosferycznego i temperatury. W związku z tym przy tej samej prędkości wiatru, podczas zimowej mroźnej pogody, turbina wiatrowa będzie produkować zauważalnie więcej prądu niż latem przy niższym ciśnieniu. Generalnie wiatry zimowe niosą więcej energii niż wiatry letnie. 

Ze względu jednak na fakt, że ciśnienie powietrza spada wraz z wysokością, parametr ten ma istotny wpływ na spadek produkcji prądu przy inwestycjach na znacznych wysokościach. Jednak w warunkach polskich, przy założeniu, że Twoja turbina ma zostać postawiona na wysokości do 1000 m n.p.m., spadek produkcji jest niewielki i może zostać pominięty przy prognozach.

 

  •  powierzchnia zakreślana przez wirnik turbiny

Jak wynika bezpośrednio z przedstawionego równania to czynnik, który ma bardzo istotny wpływ na ilość produkcji energii przez turbinę wiatrową. Tym bardziej, że zależy on tylko i wyłącznie od Ciebie, bo to Ty zdecydujesz jaką turbinę zakupisz. Znany dziennikarz tematyki wiatrowej Pau Gipe, napisał kiedyś, że "Nie ma nic co wpływa bardziej na osiągi turbiny wiatrowej niż powierzchnia zakreślana przez wirnik, oczywiście poza samym wiatrem." Ze względu na fakt, że ten parametr jest bardzo często ignorowany przez inwestorów, a przede wszystkim przez sprzedawców i instalatorów turbin wiatrowych, parametrowi temu poświęcamy więcej miejsca.

Próbując interpretować co dla Ciebie oznacza powierzchnia wirnika, proponujemy traktować wirnik jako odbiornik energii wiatru. Czym większy jest Twój odbiornik, tym więcej energii będziesz w stanie za pomocą niego zebrać. Jeśli zwiększysz swój odbiornik dwukrotnie to o tyle samo wzrośnie ilość energii, którą odbierzesz. Analogicznie jest w innych dziedzinach życia. Kabel o dwukrotnie większym przekroju jest w stanie przekazać dwukrotnie więcej prądu. Samochód z silnikiem o pojemności dwa razy większej, ma przeważnie dwukrotnie większą moc, itd.

W broszurach i katalogach turbin wiatrowych parametrem, który opisuje powierzchnię zakreślaną przez wirnik jest jego średnica. Jest to łatwy do interpretacji parametr pozwalający na wyobrażenie sobie jakiej wielkości jest turbina. Jednak przełożenie go na powierzchnię zakreślaną przez wirnik, nie jest takie proste, gdyż obliczenie powierzchni koła wymaga podniesienia długości jego promienia do kwadratu oraz pomnożenia przez liczbę Pi. W związku z tym gdy średnica turbiny rośnie dwukrotnie, powierzchnia zakreślana przez wirnik rośnie aż czterokrotnie. Odwracając logikę stwierdzenia, aby podwoić powierzchnię wirnika, jego średnica musi wzrosnąć tylko o około 41%. Dla lepszego zrozumienia pokazano poniższą zależność na rysunku:   

 

Jak wynika, z przedstawionych powyżej faktów, powierzchnia wirnika elektrowni wiatrowej jest wyjątkowo ważnym parametrem. Z powyższych rozważań na temat istotności tej wartości należy wyciągnąć dwa bardzo ważne wnioski: 

Po pierwsze, turbina która ma mały wirnik, produkuje mało prądu i to bez względu na moc elektryczną generatora jaki posiada. Nie oczekuj dużej produkcji prądu od turbiny, która ma mały wirnik. Tak samo jak nie oczekujesz, że samochodem z małym silnikiem będziesz dynamicznie przyspieszał i jeździł z olbrzymimi prędkościami. To są prawa fizyki, których żaden producent turbin wiatrowych nie jest w stanie ominąć.

Po drugie, porównywanie turbin wiatrowych tylko i wyłącznie pod względem mocy znamionowej generatora prądu jest bardzo dużym błędem. Prowadzi on najczęściej do bardzo nieudanych inwestycji. Niestety z naszych obserwacji rynku wynika, że jest to podstawowy parametr, który pokazują sprzedawcy. Pamiętaj, że turbiny z dużym generatorem i małym wirnikiem osiągają moc znamionową dopiero przy bardzo dużych prędkościach wiatru rzędu 16 - 18 m/s. Taki wiatr w Polsce występuje bardzo rzadko. Zdecydowanie lepszym parametrem, do szybkiego porównywania turbin wiatrowych, jest ich średnica wirnika. Finalną decyzję należy najlepiej podjąć w oparciu o prognozę produkcji prądu dokonaną na podstawie rozkładu prędkości wiatru w Twojej lokalizacji oraz krzywej mocy turbiny. Cel jest taki, aby dobrać turbinę, która produkuje najwięcej prądu przy takich prędkościach wiatru, które występują w Twojej lokalizacji najczęściej. 

              

  •  prędkość wiatru podniesiona do trzeciej potęgi

Jest to ostatnia wartość w przedstawionym powyżej równaniu energii wiatru. Fakt, że występuje w równaniu podniesiony do trzeciej potęgi, powoduje, że parametr ten ma największe znaczenie w całym równaniu. W pierwszej kolejności wytłumaczymy dokładnie jak duże znacznie tego parametru wynika z faktu podniesienia go w równaniu do trzeciej potęgi.

 

Co oznacza podniesienie prędkości do trzeciej potęgi?

Jeśli załadujesz do pieca dwa razy więcej węgla, będziesz oczekiwał że dostarczy Ci dwa razy więcej ciepła. Jeśli kupisz samochód z dwa razy większym silnikiem, będziesz oczekiwał, że będzie miał około dwóch razy więcej mocy. W przypadku energii wiatru, gdy wiatr wieje z dwa razy większą prędkością, niesie ze sobą aż 8 razy więcej energii. Aby podwoić energię wiatru, wystarczy aby jego prędkość wzrosła zaledwie o 26%. Działa to niestety też w drugą stronę: gdy prędkość wiatru maleje o połowę to energia, jaką niesie spada aż 8 razy. W praktyce oznacza to, że nawet bardzo małe zmiany w prędkości wiatru przekładają się na duże zmiany w energii jaką niesie. Aby to zobrazować, poniżej policzyliśmy wartości różnych prędkości wiatru podniesionych do trzeciej potęgi:

3 m/s: 3 x 3 x 3 = 27

4 m/s: 4 x 4 x 4 = 64

5 m/s: 5 x 5 x 5 = 125 

6 m/s: 6 x 6 x 6 = 216

8 m/s: 8 x 8 x 8 = 512

10 m/s: 10 x 10 x 10 = 1000

12 m/s: 12 x 12 x 12 = 1728

Zwróć uwagę, że:

Wiatr o prędkości 6 m/s niesie ze sobą w stosunku do wiatru o prędkości 4 m/s: 216/64 = 3,4 razy więcej energii. 

Wiatr o prędkości 10 m/s niesie ze sobą w stosunku do wiatru o prędkości 4 m/s: 1000/64 = 15,6 razy więcej energii.

Wiatr o prędkości 12 m/s niesie ze sobą w stosunku do wiatru o prędkości 3 m/s: 1728/27 = 64 razy więcej energii.

 

Jeśli prędkość wiatru jest taka ważna, to jak możesz na nią wpłynąć?

Wkrótce dalsza część rozdziału.