Wiatr
Podstawowe dane o atmosferze i wietrze
Potencjalne zasoby energii wiatru w Polsce
Aspekty ekologiczne wykorzystania energii wiatru

Wiatr

Energia wiatru jest przekształcona formą energii słonecznej. Wiatr jest wywołany przez różnicę w nagrzewaniu lądu i mórz, biegunów i równika, czyli przez różnicę ciśnień między różnymi strefami cieplnymi. Ocenia się, że około 1-2% energii słonecznej dochodzącej do Ziemi ulega przemianie na energię kinetyczną wiatru, stanowi to 2700 TW. 25% tej energii przypada na stumetrową grubość warstwy powietrza atmosferycznego otaczającego bezpośrednią powierzchnię Ziemi.
Jeśli uwzględni się różne rodzaje strat, oraz możliwości rozmieszczenia inastalacji wiatrowych, mają one potencjał energetyczny o mocy 40 TW.

Podstawowe dane o atmosferze i wietrze
 

Aby określić zasobność Polski w energię wiatru opracowano rozpoznanie tego żródła dwuetapowo:

I etap - ocena zasobów energii wiatru w skali regionalnej (mezoskali),
II etap - ocena zasobów energii watru w skali lokalnej uwzględniajšc warunki topograficzne i szorstkość terenu w tej skali.

Przyjęto, że etap pierwszy jest podstawowym, wiarygodnym przybliżeniem umożliwiajacym szacunek zasobów energii w mezoskali. Wynik tego oszacowania upoważnia z kolei do dalszej szczegółowej oceny tych zasobów dla dowolnie wybranego miejsca znajdującego się na obszarze uprzywilejowanym pod względem ilości energii wiatru.
Do oceny zasobów energii wiatru w mezoskali posłużono się użyteczną energią wiatru, która określa dolne ograniczenie prędkości v > 4,0 m/s.
Energię wiatru obliczono następującym wzorem:
 
 

r - gęstość powietrza
v - prędkość
t - czas.
 Do określenia jej na dowolnej wysokości zastosowano wzór, zgodnie z którym stosunek energii E₁ na wysokości Z₁ do energii E₂ na wysokości Z₂ wynosi:

E - energia wiatru w kWh * m² * rok ^-1 na wysokościach Z₁ i Z₂,
a - wykładnik potęgowy zależny od szorstkości podłoża, prędkości wiatru, stanu równowagi atmosferycznej i czasu uśredniania prędkości wiatru.

Znając powierzchnię skrzydeł, można już w prosty sposób obliczyć wydajność energetyczną siłowni:
 
 

E - energia użyteczna wiatru
A - powierzchnia zakreślona skrzydłami wirnika, m²

Analiza map energii użytecznej wykazuje przede wszystkim duże zróżnicowanie przestrzenne wielkości tej energii na obszarze kraju.

"Uprzywilejowanymi " rejonami pod względem zasobów energii wiatru są:

• środkowe, najbardziej wysunięte na północ części wybrzeża od Koszalina po Hel,
• Wyspa Uznam,
• Suwalszczyzna,
• środkowa Wielkopolska i Mazowsze,
• Beskid Śląski i Żywiecki,
• Bieszczady i Pogórze Dynowskie.

Kolor Lokalizacja zielony wybitnie korzystna żółty korzystna pomarańczowy dość korzystna czerwony niekorzystna brązowy wybitnie niekorzystna czarny tereny wyłaczone, wysokie partie gór

        Kolejnym etapem poznania zasobów energii wiatru jest jej ilościowa ocena dla wybranego w skali regionalnej korzystnego miejsca, uwzględniająca warunki terenowe tego miejsca, by uzyskać jej rzeczywiste wielkości. Problem ten rozwiązuje matematyczno - fizyczny model duński o nazwie WAsP (Wind Atlas Analysys Application Programme). Dany program umożliwia wykorzystanie danych o wietrze w profilu poziomym i pionowym ze stacji meteorologicznej uwzględniając wpływ:

• osłonięcia terenu,
• szorstkość podłoża,
• orografii terenu.

1.  Model zmiany szorstkości podłoża symulujący rodzaj szorstkości podłoża w każdym z 12 uwzględnionych sektorów - kierunków,
2.  Model osłonięcia terenu - uwzględnia stopień zasłonięcia terenu przez różnego rodzaju przeszkody pojedyńcze lub ich zespoły; łącznie model uwzględnia zespół 50 przeszkód,
3.  Model orograficzny - o wysokiej rozdzielczości dla określenia przepływu powietrza w terenie urozmaiconym orograficznie. Wejściem do modelu są izohipsy, przeniesione w systemie cyfrowym ze standardowej mapy topograficznej w skali 1:25 000 lub 1:50 000 w promieniu do 50 km od miejsca obserwacji i co 10 m wysokości.
4.  Model analizy tzw. "atlasu wiatru", którego efektem jest statystyczny rozkład kierunków i prędkości wiatru obliczony rozkładem Weibulla wraz z parametrami rozkładu w postaci stabelaryzowanej dla wysokości standardowej i uwzględniający parametry szorstkości.
5.  Model aplikacyjny - modyfikujący rozkład kierunków i prędkości wiatru na podstawie danych ze stacji meteorologicznej dla wybranego punktu do lokalizacji siłowni wiatrowej.

Modelu WAsP nie można stosować do oceny ilości energi wiatru w terenach górzystych ze względu na brak pokrycia wartości obliczanych symulacyjnie  z rzeczywistymi.

Po wprowadzeniu do programu wszystkich rzeczywistych parametrów szorstkości danego miejsca lokalizacji, odpowiednich parametrów mapy topograficznej i oczywiście wieloletnich danych meteorologicznych uzyskuje się:

• energię wiatru na dowolnej wysokości w zakresie 10 - 100 m nad pow. gruntu dla miejsca lokalizacji siłowni w  kWh * m²
• znając krzywą mocy proponowanej siłowni i powiechnię zakreśloną skrzydłami wirnika, roczną produkcję energi w MWh / rok

Model ten posiada również inną możliwość oceny energii wiatru:

• dla pięciu przyjętych klas szorstkości oblicza parametry rozkładu Weibulla A i K
• dla pięciu wysokości i 12 kierunków wiatru.

A - parametr skali obliczony empirycznie,
K - parametr kształtu rozkładu,
F_E(k) funkcja - została stabelaryzowana.

Stosując ten wzór można obliczyc E dla którego kierunku na wybranej wysokości i w określonej klasie szorstkości.
Energię całkowitą ze wszystkich kierunków oblicza się, jako sumę ważoną:

Przykładowa róża wiatrów	Przykładowy rozkład Weibulla prędkości wiatru
Przykładowy wykres zależności energii wiatru od wysokości  n. p. g. w rejonie Nowogardu. Wielkość uzyskiwanej energii zancznie rośnie ze wzrostem wysokości siłowni wiatriwej, ale i ten parametr ma swoje ograniczenia konstrukcyjne.

Ocena potencjalnych zasobów energii wiatru w Polsce

1.  Powierzchnia Polski                                                                312 683 km²
2.  60 % obszaru kraju spełnia minimalne warunki do
wykorzystania wiatru dla celów energetycznych (przy
założeniu v > 4 m/s (średnia rokczna) na wysokości
30 m nad pow. gruntu, co stanowi                                                188 000 km²
3.  Zakładając, że jedna siłownia wiatrowa przypada
na powierzchnię 1 km²  na obszarze uprzywilejowanym
pod względem prędkości wiatru uzyskujemy                                 188 000 siłowni
4.  Średnia produkcja energii jednej siłowni zlokalizowanej
w obszarze uprzywilejowanym wynosi                                          1250 kWh / m² / rok
5.  Średnia powierzchnia skrzydeł jednej siłowni wynosi                370 m²
6. Teoretyczna produkcja energii przez wykorzystanie
wiatru wynosi zatem                                                                     86 950 GWh / rok
7.  Produkcja energii elektrycznej z zawodowych
elektrowni cieplnych w 1995 r. wg rocznika statystycznego
wynosiła                                                                                       126 857 GWh
8.  Teoretyczny udział produkcji energii wiatru stanowiłby
w tym bilansie zapotrzebowania na energię w Polsce                      68,5 %
9. Zakładając, że 1/4 potencjalnych zasobów energii
wiatru jest rzeczywistą energią użyteczną uzyskujemy                     21 738 GWh / rok,
które możne być teoretycznie uwzględnione w bilansie
energetycznym kraju.

Produkcja energii elektrycznej przez elektrownie wiatrowe w rzeczywistych warunkach może osiągnąć 17 % pokrycia bilansu energetycznego kraju. Jak widać energetyka wiatrowa nie osiągnie decydującego udziału w Polskiej energetyce, ale pozwoli zmniejszyć zanieczyszczenie całej Ziemi..

Aspekty ekologiczne wykorzystania energii wiatru

Na aspekty ekologiczne trzeba patrzeć globalnie, gdyż zanieczyszczenia atmosfery nie uznają żadnych granic. Dla przykładu emisje uniknięte poprzez wykorzystanie energii wiatru do produkcji 1 TWh energii elektrycznej to około:
5 500     ton SO₂
4 222     ton NO_x
700 000 ton CO₂
49 000   ton pyłów i żużlu
 

Przy omawianiu zalet energii elektrycznej uzyskiwanej z wiatru należy pamiętać o najważniejszej zalecie, o nie wyczerpalności tego źródła. Przy obecnej eksploatacji złóż energii pierwotnej starczą one jeszczne na tyle lat co przedstawiono obok. Jak widać poszukiwanie i stosowanie odnawialnych źródeł energii jest tendencją przyszłościową. Często zarzuca się elektrowniom wiatrowym, że  szpecą krajobraz, wytwarzają podczas pracy hałas i mogą spowodować nowe nieznane dotąd zagrożenia ekologiczne. Ale są to wady nie mające dużego zanczenia, gdyż można budować elektrownie wiatrowe na obszarach o dużym potencjale energetycznym i małym zaludnieniu. Energia wiatru jest niezależna, powszechnie dostępna i uniezależniona od wymian handlowych między krajami.

Powrót do początku