AnalizaZasobowWiatru.pdf

(287 KB) Pobierz
Microsoft Word - AnalizaZasobowWiatru
POMIARY ORAZ ANALIZA POLA WIATRU DLA POTRZEB
ENERGETYCZNYCH.
dr Krzysztof Markowicz
Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski
ul. Pasteura 7
02-093 Warszawa
tel. (0022) 55-46-836
kmark@igf.fuw.edu.pl
1. Wprowadzenie
Oszacowanie potencjału energetycznego wiatru jest jednym z najważniejszych i
najtrudniejszych kroków przy podejmowaniu wszelkich decyzji związanych z realizacją
inwestycji energetyki wiatrowej. Komplikacje z oceną zasobów teoretycznych wiatru
wynikają z jego natury. Wiatr jest wielkością silnie zmienną w czasie i przestrzenni
zależną zarówno od warunków meteorologicznych panujących od skali lokalnej do
mezoskalowej jak i warunków fizjogeograficznych. Prowadzi to do szeregu trudności z
opracowaniem potencjału energetycznego dla wybranych lokalizacji. Będą one
dyskutowane w niniejszym artykule.
2. Metody oceany zasobów energetycznych wiatru
W badaniach zasobów teoretycznych wiatru korzysta się z metod obserwacyjnych
oraz wyników symulacji uzyskanych przy użyciu modeli numerycznych. Wyniki
pomiarów są bardziej dokładne chociaż niepewności pomiarowe wynoszą przeważnie
kilka procent. Główna siec obserwacji meteorologicznych w Polsce została rozwinięta
przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW). Jednak gęstość stacji
obserwacyjnych jest z punktu widzenia energetyki wiatru niewystarczająca. Dodatkowo
zgodnie z wytycznymi Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO) pomiary
wykonywane są standardowo na wysokości 10 metrów nad gruntem podczas gdy
potencjał energetyczny powinien być oszacowany na wyższych wysokościach. Typowe
instalacje montuje się na wysokości od 20 do 80 metrów nad gruntem. Kluczowym
problem jest więc w tym przypadku ekstrapolacja danych obserwacyjnych na wyższe
1
wysokości. Jest to zadanie bardzo trudne gdyż profil wiatru z wysokością zależy zarówno
od ukształtowania terenu ale również od warunków stratyfikacyjnych w atmosferze.
Ostatni efekt jest często pomijany co kwestionuje przydatność tego typu opracowań.
Poza analizą danych pomiarowych wykorzystuje się również modele
meteorologiczne, które pozwalają obliczać pole wiatru. Niestety rozdzielczość
przestrzenna współczesnych modeli meteorologicznych jest niska i wynosi od kilku do
kilkunastu kilometrów. Oznacza, że zmienność przestrzenna pola wiatru w skali
mniejszej niż kilka kilometrów jest nieosiągalna. Modele te dzielimy na prognostyczne
oraz diagnostyczne. Pierwsze z nich służą do prognozowania pogody w skali
mezoskalowej, zaś drugie do określania warunków meteorologicznych w terminach
analizy danych pomiarowych. Do modeli prognostycznych zaliczamy między innymi
UMPL, ALADIN, HIRLAM, COAMPS lub do celów naukowo-badawczych EULAG.
Początkowe pole wiatru w modelach numerycznych jest asymilowane na podstawie
danych obserwacyjnych. Modele te wymagają zatem dużej ilości danych obserwacyjnych
nie tylko pola wiatru ale również innych wielkości meteorologicznych. W ramach
modelu rozwiązywane są skomplikowane równania dynamiki oraz zachowania energii w
atmosferze. Niestety ze względu na stopień skomplikowania modelu oraz trybu pracy są
one bardzo rzadko używane do szacowania potencjału energetycznego wiatru. Znacznie
częściej wykorzystywane są modele proste diagnostyczne. Modele te jednak są bardzo
ograniczone gdyż jedynie efekty dynamiczne brane są pod uwagę. Ich głównym celem
jest badanie potencjału wiatru nad obszarem o zróżnicowanej topografii. Zaliczamy do
nich: modele liniowe (BZ-WASP), modele zachowania masy (NOABL-WindMap),
modele spektralno-numeryczne (MSFD-WindFarm). W modelach liniowych
rozwiązywane są zlinearyzowane równania dynami atmosfery (równanie ciągłości oraz
ruchu). W modelach zachowania masy rozwiązywane jest równanie ciągłości. Modele
spektralno-numeryczne oparte są na modelach liniowych przy czym wykorzystuje się
dodatkowo parametryzacje turbulencji zaczerpnięte z zaawansowanych modeli
prognostycznych. Wyniki symulacji przeprowadzonych przy użyciu modeli
diagnostycznych musza być weryfikowane a następnie korygowane na podstawie danych
obserwacyjnych. W najbliższych latach należy spodziewać się dalszego rozwoju metod
2
numerycznych i wykorzystywania coraz to lepszych modeli prognostycznych w celu
wyznaczania potencjału energetycznego wiatru.
3. Ograniczenia wykorzystania wyników obserwacyjnych IMGW.
Głównymi ograniczeniem związanym z wykorzystywaniem wyników
obserwacyjnych prowadzonych w ramach sieci obserwacyjnej IMGW jest wspomniana
po wyższy wysokość pomiaru oraz uśrednianie prędkości wiatru w przedziale 5 bądź 10
minutowym. Gęstość mocy wiatru zależy bowiem od prędkości wiatru w trzeciej potędze
P =
v
3
2
gdzie ρ jest gęstością powietrza. Tym samym ze względu na turbulencyjnych charakter
przepływu powietrza uśrednianie prędkości powietrza a następnie podnoszenie do potęgi
trzeciej nie jest tożsame z podnoszeniem do potęgi trzeciej a następnie uśrednianie
v .
Tak, więc właściwe oszacowanie potencjału wiatru wymaga zmian w systemie akwizycji
>
3
≠<
v
3
>
danych. Poza prędkościami uśrednianymi wiatru rejestrowane powinny by też uśrednione
trzecie momenty prędkości wiatru >
<
3 v . Takie podejście dopiero zapewni poprawną
Tabela 1. Przykłady różnego typu uśredniania prędkości wiatru
<V>
<V 3 >
3
<
V >
V [m/s] 5.0 5.0 5.0
5.0
5.0
5.0
125.0
5.0
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 0.0 5.0
7.5
2.5
5.0
312.5
6.8
V [m/s] 8.0 0.0 0.0
5.0
2.0
3.0
129.0
5.05
3
<
268645030.001.png
analizę wyników obserwacyjnych. Jednak taką modyfikację można zastosować gdy
mamy możliwość zmiany oprogramowania w urządzeniu pomiarowym. W przypadku
gdy korzysta się z danych zgromadzonych w sieci IMGW musimy stosować różnego
rodzaju przybliżenia. Zaliczamy do nich metody oparte o rozkłady prawdopodobieństwa
prędkości wiatru. Jednak należy mieć świadomość, że są to metody już obarczone
błędem, gdyż korzystają z uśrednionych prędkości wiatru. Zakładając pewien model
teoretyczny próbuje się odtworzyć charakterystykę czasową wiatru. Najczęściej
wykorzystuje się w tym przypadku rozkład Weibulla dany wzorem
k
v
k
−
v
k
f
(
v
)
=
exp
−
A
A
A
gdzie: f(v) jest gęstością prawdopodobieństwa pojawiania się prędkości wiatru v, k jest
parametrem kształtu, zaś A oznacza parametrem skali. Znając rozkład gęstości
prawdopodobieństwa prędkości wiatru możemy wyznaczy trzeci moment prędkości
wiatru zgodnie ze wzorem.
<
v
3
>=
∫
v
3
f
(
v
)
dv
.
Parametry rozkładu Weibulla A oraz k wyznacza się poprzez dopasowanie wyników
obserwacyjnych do rozkładu danego powyższym wzorem.
Ograniczenie związane z szacowaniem zasobów energii wiatru na wyższych
wysokościach bazując na pomiarach prędkości i kierunku wiatru na wysokości 10
metrów prowadzi do znacznych niepewności. Profil prędkości wiatru jest na ogół funkcją
własności fizycznych podłoża oraz stratyfikacji atmosferycznej. O ile ta pierwsza jest
wielkością zasadniczo wolno zmienną w czasie ( ile np. nie wystąpią opady śniegu
zmieniające szorstkość podłoża) to jednak dynamika atmosfery zmienia się w skali od
minut czy godzin. Stratyfikacja atmosfery związana z przenoszeniem pędu powietrza z
warstw powietrza powyżej tzw. warstwy granicznej jest w głównej mierze
odpowiedzialna za przepływ powietrza przy powierzchni ziemi. Najlepszym przykładem
jest dobowy przebieg prędkości wiatru, który doskonale widoczny jest w letniej porze
roku. Pomimo, że prędkość wiatru powyżej warstw granicznej nie wykazuje wyraźnego
cyklu dobowego to jednak prędkość jak również i kierunek wiatru osiągają maksimum w
godzinach południowych lub popołudniowych. Jest to związane ze zmiana stratyfikacji
atmosfery, która w godzinach około południowych ze względu na ogrzanie podłoża staje
4
1
268645030.002.png
się chwiejna. Prowadzi to do silnego mieszania i transportu pędu od górnych granic
warstw granicznej w kierunku powierzchni ziemi. Tym samym prędkość wiatru przy
powierzchni ziemi wzrasta. Ponadto silne ruchy konwekcyjne sprawiają, że warstwa
powietrza staje się dobrze wymieszana a prędkość wiatru wolno rośnie z wysokością.
Sytuacje odmienną obserwujemy nocą, kiedy to przy bezchmurnej i wyżowej
Tabela 2. Klasy szorstkości powierzchni ziemi
Klasa szorstkości
terenu
Opis terenu
z o [m]
1
Morze, teren otwarty na odległości > 3km
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
Centra dużych miast
>2.00
pogodzie obserwuje się stabilna stratyfikację. Ograniczenie ruchów pionowych w
atmosferze hamuje przenoszenie pędu i tym samy prędkość wiatru przy powierzchni jest
znacznie mniejsza niż w dzień. Związku z tym prędkość wiatru rośnie silnie z
wysokością. Zmienność dobową oraz stratyfikacyjną prędkości wiatru z wysokością
obrazuje rys. 2. Przykłady te pokazują, że pominięcie zmian zachodzących w atmosferze
prowadzi do znacznych błędów. Stosowane najczęściej w energetyce wiatru wzory
uwzględniają jedynie efekt powierzchni ziemi
5
268645030.003.png 268645030.004.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin