Pomiary oraz symulacje numeryczne pola wiatru pod ktem

Pomiary oraz symulacje numeryczne pola wiatru pod kątem wykorzystania w energetyce wiatrowej. dr Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski kmark@igf. fuw. edu. pl www. igf. fuw. edu. pl/meteo/stacja Instytut Geofizyki UW

Wszystko zaczyna się od Słońca • Ziemia otrzymuje zaledwie około 0. 5 x 10 -9 całkowitej energii emitowanej przez Słońce. Stanowi to jednak wielkości rzędu 1014 [k. W]. • Szacuje się że zaledwie około 1 -2% tej energii ulega w atmosferze konwersji do energii kinetycznej mas powietrza. Szacunkowo jest to moc około 2700 [TW]. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Przepływ energii w atmosferze 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Wiatr… • W meteorologii wiatrem nazywamy poziomy ruch powietrza wywołany różnicą ciśnienia atmosferycznego. Poza siłą związaną z różnicą ciśnienia (gradientem) istotny wpływ odgrywa siła coriolisa i siłą odśrodkowa a ponadto w warstwie granicznej siła tarcia dynamicznego o podłoże oraz tarcia wewnętrznego warstw atmosfery. • Po wyżej warstwy granicznej (1 -1. 5 km) przepływ powietrza ma na ogół laminarny charakter poza strefami gdzie występują turbulencje. • Przy ziemi przepływ powietrza jest silnie turbulentny co znacznie utrudnia pomiary wiatru jak wykorzystywanie go jako źródło energii. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Turbulencja nad szorstką powierzchnią ziemi 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Porywy wiatru • Porywem wiatru jest każde krótkotrwałe, trwające nie dłużej niż 2 minuty dodatnie lub ujemnie odchylenie prędkości wiatru od wartości średniej, w określonym okresie czasu • Współczynniki porywistości: 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Prędkość wiatru a moc elektrowni wiatrowych Siła wiatru Moc wiatru r - gęstość powietrza r=1. 26 kg/m 3 (średnia wartość w Polsce) v - prędkości wiatru w [m/s] Energia wiatru 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Moc elektrowni wiatrowej Co – współczynnik efektywności turbiny (typowa wartość 0. 35) Ng – efektywność generatora (minimum 0. 85 dla nowoczesnych generatorów Nb – efektywność skrzyni biegów (0. 90 -0. 95) 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Wpływ gęstości powietrza na energie wiatru • Niemal wszystkie opracowania zasobów energetycznych wiatru pomijają zmienność gęstości powietrza. • Uwzględnienie tego efektu prowadzi do zmian energii wiatru nawet o 10% • Gęstość powietrza zależy od temperatury powietrza oraz ciśnienia i tak rośnie ze wzrostem ciśnienia i spadkiem temperatury. • Dlatego moc wiatru ze względu na zmienność gęstości powietrza jest największa zimą zaś najmniejsza latem gdy temperatura jest najwyższa a ciśnienie najniższe. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Pomiary wiatru • Pomiary prędkości i kierunku wiatru prowadzone są w skali całego globu przez WMO (World Meteorological Organization). • Pomiary te obejmują zarówno obszary lądowe jak i oceaniczne. • Gęstość sieci obserwacyjnej nad obszarami lądowymi z punktu widzenia potrzeb klimatyczno-synoptycznych jest zadowalającą (średnio rzecz biorąc jedna stacja pomiarowa przypada na kilkadziesiąt kilometrów). • Pomiary wykonywane są punktowo oraz teledetekcyknie (zdalnie) za pośrednictwem systemów naziemnych oraz satelitarnych. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Dokładności pomiaru wiatru wymagane przez WMO • Prędkość 0. 5 m/s kierunek 5 o dla potrzeb klimatologii • Prędkość 0. 5 m/s dla V<5 m/s oraz 10% dla V>5 m/s kierunek 5 o dla potrzeb meteorologii synoptycznej. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Przyrządy do pomiaru prędkości wiatru 1. • • • 2. • • 3. • • • Wiatromierze Anemometry tachometryczne (czaszowe łopatkowe, śmigłowe) Anemometry wirowe – prętowe Stery kierunkowe Anemometry punktowe Anemometry manometryczne (piętrzące Pitota Prandla, naporowe, przepływowe) Anemometry dopplerowskie Anemometry chronometryczne – ultradźwiękowe Anemometry kalometryczne (drutowe, cienkowarstwowe, cylindrowe) Anemometry profilujące Akustyczne (sodary) Elektromagnetyczne (radary) Lasery (lidary) 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Przykłady anemometrów anemometr śmigiełkowy anemometr ręczny 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW Wiatromierz Wilda

v Zasada działania anemometru akustycznego 1 OD 1 2 Nadajnik OD 2 L L Różnica czasu w dotarciu fali akustycznej do obu detektorów wynosi: Suma zaś Tak wiec nie musimy znać prędkości dźwięku aby wyznaczyć prędkość wiatru. Z drugiego równania możemy wyznaczyć temperaturę powietrza. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Anemometry ultradźwiękowe 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Zalety i wady anemometrów ultradźwiękowych • Pomiar prędkości wiatru anemometrem ultradźwiękowym jest pomiarem bezwzględnym, gdyż prędkość mas powietrza nie jest przetwarzana na inna wielkość jak to ma miejsce np. w anemometrii tachometrycznej. • Duży zakres pomiarowy (od cm/s po prędkości huraganowe) • Duża dokładność sięgająca 1% • Bardzo mała stała czasowa – użyteczny do pomiarów turbulencyjnych. Pomiary prędkość wiatru mogą być wykonywane z częstością setek Hz. • Eliminacja zawodnych części mechanicznych • Niewrażliwość na charakter przepływu • Długookresowa stabilność lepsza niż 0. 3%/ rok. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Dostępne dane meteorologiczne • Standardowe pomiary na wysokości 10 m prowadzone przy pomocy rożnego rodzaju wiatromierzy. • Dopiero w latach 90 -tych zaczęto zastępować wiatromierze typu Wilda anemometrami elektronicznymi • Wartości uśredniane w przedziale 10 minut • Dostępne z maksymalną rozdzielnością co 1 godzina • Na większości posterunków meteorologicznych prędkości wiatru wykonuje się 3 razy na dobę. • Jedynie na około 60 -siu stacjach w Polsce obserwacje prowadzone są (były) w sposób ciągły • Dane ze stacji meteorologicznych są własnością Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej IMGW • Za dane trzeba słono płacić !!! Pomimo ze służba meteorologiczna utrzymywana jest z naszych podatków. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Co dają nam informacja o średniej prędkości wiatru ? • To zależy od czasu uśredniania. • Średnia roczna prędkość wiatru jest wielkością która z punktu widzenia energii wiatru jest mało użyteczna. • Na jej podstawie nie możemy oszacować średniej mocy elektrowni wiatrowej. • Dopiero informacje czasowej zmienności prędkości wiatru mogą posłużyć do opracowania zasobów wiatru na danym obszarze. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Wpływ uśredniania prędkości wiatru - przykład <V> średnia <V 3> V [m/s] 5. 0 5. 0 125. 0 V [m/s] 4. 8 5. 1 5. 0 5. 2 4. 9 5. 0 125. 25 5. 003 V [m/s] 4. 0 4. 5 6. 5 7. 2 2. 8 5. 0 165. 0 5. 5 V [m/s] 15. 5 12. 3 8. 7 10. 8 11. 2 11. 7 1781. 6 12. 2 V [m/s] 10. 0 5. 0 7. 5 2. 5 5. 0 312. 5 6. 8 V [m/s] 8. 0 0. 0 5. 0 2. 0 3. 0 129. 0 5. 05 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Rozkład prawdopodobieństwa występowania prędkości wiatru Określa częstość występowania wiatru o określonej prędkości. Rozkłady takie są umożliwiają znacznie dokładniejsze oszacowanie energii wiatru niż nad podstawie średniej prędkości wiatru. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Czy potrzebujemy informacji o kierunku wiatru ? • Ze względu na ukształtowanie terenu, zabudowę czy wysoką roślinność szorstkość powierzchni ziemi w różnych kierunkach jest na ogół inna • Prowadzi to zróżnicowanie prędkości wiatru w zależności od kierunku geograficznego • Ponadto ogólna cyrkulacja powietrza w rejonie Europy Środkowej determinuje główny kierunek napływu mas powietrza i zróżnicowanie prędkości wiatru w zależności od kierunku cyrkulacji. • W przeważającej części regionu dominuje zachodni i południowo zachodni kierunek wiatru • Co faworyzuje (pod kątem wykorzystania wiatru) np. zbocza opadający w tym kierunku 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Zmienność prędkości wiatru z wysokością • Prędkość wiatru na ogół rośnie z wysokością do około 1 km. • Tempo tego wzrostu zależy od wielu czynników: ukształtowania i pokrycia terenu (szorstkości) oraz stanu atmosfery. • Ruchy pionowe w atmosferze (np. konwekcja) przenoszą pęd cząstek powietrza z górnych warstw w kierunku powierzchni ziemi. Gdy ruchy te zanikają prędkość wiatru przy ziemi znacznie zmniejsza się (podczas nocy) • Dlatego najwyższe prędkości wiatru rejestruje się w ciągu dnia gdy ruchy konwekcyjne osiągają maksimum. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Jak wyznaczyć prędkości wiatru na wysokości 30 czy 50 metrów gdy dysponujemy pomiarami z wysokości 10 metrów ? • Ze względu na liczne czynniki jakie wpływają na wzrost prędkości wiatru z wysokością zadanie to jest szalenie trudne. • Wzór logarytmiczny ho – parametr szorstkości podłoża zależny od własności fizycznych podłoża. Po niżej wysokości ho prędkość wiatr jest zerowa Wzór potęgowy (bardzo często używany do szacowania prędkości wiatru na potrzeby elektrowni wiatrowych) • gdzie parametr często przyjmowany jest jako stały i równy 1/7 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Klasa szorstkości terenu Opis terenu ho [m] 1 Morze, teren otwarty na odległości > 3 km 0. 0002 2 Obszary bagienne, śnieg, teren bez zabudowy i roślinności 0. 005 3 Plaski teren otwarty, trawa, pojedyncze budynki 0. 03 4 Niskie uprawy, pojedyncze budynki o parametrach [x/h] < 20 metrów 0. 10 5 Wysokie uprawy, zabudowa rozrzucona o parametrach 15<[x/h]<20 metrów 0. 25 6 Parki, krzaki, zarośla, budynki o parametrach [x/h] 10 metrów 0. 50 7 Przedmieścia, lasy 1. 00 8 Instytut Geofizyki UW Centra dużych miast 9/13/2021 >2. 00

Profil pionowy prędkości wiatru w zależności od stabilności atmosfery 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Pomiary wiatru na różnych wysokościach: 10, 20, 40, 60 m. Pomiarów tego typu nie wykonuje służba meteorologiczna a jedynie firmy związane z energetyką wiatrową 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Efekt orograficzny- wpływ przeszkód terenowych 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Strefy energetyczne wg IMGW 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Średnie miesięczne prędkości wiatru dla okolic Kielc Dane: NCEP-NCAR Reanaliza, klimatologia za okres 1948 -2004 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Zmienność średniej prędkości wiatru w styczniu i listopadzie w okresie 1948 -2005 Dane: NCEP-NCAR Reanaliza, klimatologia za okres 1948 -2004 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Długookresowa zmienność prędkości wiatru • Cyrkulacja równoleżnikowa jest odpowiedzialna za największe prędkości wiatru w Europie Środkowej. • Podlega ona dynamicznym zmianom zarówno w skali dni jak i miesięcy czy lat. • Zmiany w skali lat związane są z oscylacjami północno atlantyckimi (NAO). Zjawiskiem nasilania i osłabiania zachodniej cyrkulacji atlantyckiej. • Zmiany cyrkulacji zachodniej w skali dni związane są z falami Rosbiego. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

dodatnia faza NAO 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW ujemna faza NAO

Index NAO 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Zmienność kierunku wiatru w ciągu roku Dane: NCEP-NCAR Reanaliza, klimatologia za okres 1948 -2004 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Wykorzystanie modeli meteorologicznych Modele umożliwiają obliczanie pola wiatru w dowolnym momencie czasu jednak z ograniczoną rozdzielczością przestrzenną. Obecnie rozdzielczość modeli mezoskalowych wynosi od kilku do kilkunastu kilometrów. Dlatego nie można nimi modelować przepływów w urozmaiconym terenie. Jednak istnieje szereg modeli które potrafią sobie radzić z taką topografią. Najczęściej jednak nie działają one operacyjnie tak jak modele mezoskalowe. Ogromna zaletą modeli jest możliwość analizy pól wiatru na różnych wysokościach 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Przykładowe mapy prędkości wiatru z modelu UMPL (http: //weather. icm. edu. pl) 5 grudnia 2005 godzina 18: 00 UTC 9/13/2021 7 grudnia 2005 godzina 6: 00 UTC Instytut Geofizyki UW

Meteogram dla Kielc 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Sprawdzalność modeli 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Model COAMPS – siatka 9 km działa w Polsce od 2005 roku coamps. icm. edu. pl 2006. 03. 26 13: 00 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW

Podsumowanie • Rejon Kielecczyzny jest dość korzystny pod względem potencjalnego wykorzystania energii wiatru • Istotne są lokalne warunki topograficzne które istotnie modyfikują zasoby energetyczne wiatru. • Uprzywilejowane pod tym względem są między innymi szczyty wzniesień oraz południowe i południowo zachodnie zbocza • Bardzo mało wiemy jednak o zróżnicowaniu wiatru na terenie Kielecczyzny dlatego konieczna jest: • Rozbudowa sieci obserwacyjnej • Rozpoczęcie modelowania prędkości i kierunku wiatru przy pomocy istniejących narzędzi fizyki atmosfery. • W rezultacie wykonanie precyzyjnych analiz zasobów energetycznych wiatru gdyż dotychczasowe są mało użyteczne ze względu na stosowaną metodologię. 9/13/2021 Instytut Geofizyki UW