Analiza prędkości wiatru dla wybranych Analiza prędkości wiatru dla wybranych stacji meteorologicznych Podkarpacia stacji meteorologicznych Podkarpacia

Analiza prędkości wiatru dla wybranych Analiza prędkości wiatru dla wybranych

stacji meteorologicznych Podkarpacia stacji meteorologicznych Podkarpacia

dr Krzysztof Markowicz dr Krzysztof Markowicz

Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski

kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

Wszystko zaczyna się od Słońca Wszystko zaczyna się od Słońca

• Ziemia otrzymuje zaledwie około 0.5x10 ^-9 całkowitej energii

emitowanej przez Słońce. Stanowi to jednak wielkości rzędu

10 ¹⁴ [kW].

• Szacuje się ze zaledwie około 1-2% tej energii ulega w

atmosferze konwersji do energii kinetycznej mas powietrza.

Szacunkowo jest to moc około

Przepływ energii w atmosferze

Przepływ energii w atmosferze

Wiatr…

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 (1-1.5km) przepływ powietrza ma na ogół laminarny charakter poza strefami gdzie występuje turbulencja.

• Przy ziemi przepływ powietrza jest silnie

Turbulencja nad szorstką powierzchnią ziemi

Turbulencja nad szorstką powierzchnią ziemi

Prędkość wiatru a moc elektrowni Prędkość wiatru a moc elektrowni

wiatrowych wiatrowych

v 3

2 P  1 

Energia wiatru v t

2

E  1  ³

Moc wiatru



 kWh 1

 - gęstość powietrza

=1.26 kg/m ³ (średnia wartość w Polsce)

v - prędkości wiatru w [m/s]

T 287

 p



Moc elektrowni wiatrowej Moc elektrowni wiatrowej

 

 





 ^{ 7 3} _{o g b 2}

m N kWh

N tC 2 v

10 1 778

. 2 E

C _o – współczynnik efektywności turbiny (typowa wartość 0.35) N _g – efektywność generatora (minimum 0.85 dla

nowoczesnych generatorów

N _b – efektywność skrzyni biegów (0.90-0.95)

Wpływ gęstości powietrza na energie wiatru 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.

Dane meteorologiczne 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.

Co dają nam informacja o średniej prędkości Co dają nam informacja o średniej prędkości

wiatru ? 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 częste informacje o prędkości wiatru mogą

posłużyć do opracowania zasobów wiatru na danym

obszarze.

<V>

średnia

<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

 V



Wpływ uśredniania prędkości wiatru - przykład

Rozkład prędkości wiatru Rozkład prędkości wiatru

Rozkład prędkości

wiatru w listopadzie

stacja Strzyżów

Podkarpacie na tle innych rejonów

Podkarpacie na tle innych rejonów

Czy potrzebujemy informacji o kierunku Czy potrzebujemy informacji o kierunku

wiatru ? 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 południowy i

południowo zachodni kierunek wiatru

Zmienność prędkości wiatru z wysokością 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.

Jak wyznaczyć prędkości wiatru na wysokości 30 czy Jak wyznaczyć prędkości wiatru na wysokości 30 czy

50 metrów gdy dysponujemy pomiarami 50 metrów gdy dysponujemy pomiarami

z wysokości 10 metrów ? z wysokości 10 metrów ?

• Ze względu na liczne czynniki jakie wpływają na wzrost prędkości wiatru z wysokością zadanie to jest szalenie trudne.

• Wzór logarytmiczny

 

 





 

 







o 1 o 2 1

1 2

2

h ln h

h ln h ) h ( V ) h ( V h

– parametr szorstkości podłoża zależny od własności fizycznych podłoża. Po niżej

wysokości h

prędkość wiatr jest zerowa

• Wzór potęgowy (bardzo często używany do szacowania

prędkości wiatru na potrzeby elektrowni wiatrowych)

Klasa szorstkośc

i terenu

Opis terenu h

[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

Profil pionowy prędkości wiatru w zależności Profil pionowy prędkości wiatru w zależności

od stabilności atmosfery

od stabilności atmosfery

Wpływ przeszkód terenowych

Wpływ przeszkód terenowych

Średnie miesięczne prędkości wiatru dla obszaru Średnie miesięczne prędkości wiatru dla obszaru

Podkarpacia wschodniego oraz zachodniego

Podkarpacia wschodniego oraz zachodniego

Zmienność średniej prędkości wiatru w Zmienność średniej prędkości wiatru w

styczniu i listopadzie w okresie styczniu i listopadzie w okresie

1948-2005

1948-2005

Długookresowa zmienność prędkości wiatru 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.

dodatnia faza NAO

dodatnia faza NAO

Index NAO

Index NAO

Zmienność kierunku wiatru w ciągu roku Zmienność kierunku wiatru w ciągu roku

Dane: NCEP-NCAR Reanaliza, klimatologia za okres 1948-2004

Stacja transferu radiacyjnego w okolicach Stacja transferu radiacyjnego w okolicach

Strzyżowa Strzyżowa

(25 km na południowy zachód od Rzeszowa) 443 m.n.p.m

(25 km na południowy zachód od Rzeszowa) 443 m.n.p.m

anemometr na wysokości 10 metrów w budowie anemometr

ultradźwiękowy

Zakres prowadzonych obserwacji.

1. Podstawowe pomiary meteorologiczne Temperatura, wilgotność i ciśnienie powietrza prędkość i kierunek wiatru na wysokości 10 m

natężenie, suma opadu, grubość pokrywy śnieżnej

gradientowe pomiary temperatury powietrza od powierzchni gruntu do wysokości 10 m

gradientowe pomiary temperatury gruntu do głębokości 1 m widzialność pozioma, sondaże aerologiczne

2. Pomiary radiacyjne

strumień bezpośredni rozproszony promieniowania krótkofalowego strumień całkowity promieniowania krótkofalowego

strumienie w obszarze widzialnym (400-700 nm)

strumień promieniowania długofalowego, radiancja nieba

3. Pomiary aerozolowe

Pomiary wiatru Pomiary wiatru

• Uśrednianie prędkości i kierunku wiatru w przedziale 1 minuty.

• Prędkość maksymalna raportowana jest za ostatnie 5 minut.

• Możliwość softwarowej zmiany czasu uśredniania

• Od wiosny 2006 pomiary będą prowadzone przy użyciu

bardzo szybkiego anemometru ultradźwiękowego

Rozkład prędkości wiatru – klimatologia 1995-2001 Rozkład prędkości wiatru – klimatologia 1995-2001

io na l C lim at ic D at a C en te r

Porównanie prędkości wiatru na stacjach Porównanie prędkości wiatru na stacjach

meteorologicznych Podkarpacia – meteorologicznych Podkarpacia –

klimatologia 1995-2001 klimatologia 1995-2001

N at io na l C lim at ic D at a C en te r

Porównanie prędkości wiatru na dwóch Porównanie prędkości wiatru na dwóch

stacjach w Strzy

stacjach w Strzy ż ż o o wie wie

Modele meteorologiczne: UMPL, COAMPS Modele meteorologiczne: UMPL, COAMPS

Modele umożliwiają obliczanie wiatru w dowolnym

momencie czasu jednak z ograniczona rozdzielczością przestrzenna.

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 jednak nie działają one operacyjnie jak

modele mezoskalowe.

Przykładowe mapy prędkości wiatru z modelu Przykładowe mapy prędkości wiatru z modelu

UMPL (http://weather.icm.edu.pl)

UMPL (http://weather.icm.edu.pl)

Podsumowanie Podsumowanie

• Rejon Podkarpacie (szczególnie jego wschodnie i południowej obszary) jest dość korzystny pod względem potencjalnego

wykorzystania energii wiatru

• Szalenie 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 Podkarpacia 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.