Veter kot alternativni vir energije

Darjan Gradišnik, Nenad Muškinja, Branimir Verhovnik

Ates d.o.o., UM FERI, Elektro Maribor d.d.

darjan.gradisnik@ates.si, nenad.muskinja@uni-mb.si,

branimir.verhovnik@elektro-maribor.si,

Osnove energije vetra in priporočila za postavitev malih

vetrnih sistemov

Veter je oblika sončne energije

Veter je solarna energija, pretvorjena v kinetično. Zemlja vsrka 120,000 terawatov (120·1015 W)

sončne energije. 0.3% se pretvori v veter. To je 26 krat energija, ki jo trenutno uporabljamo.

ODBITA TOPLOTA

82,000

ABSORBIRANO120,000

GEOGEOTERMALNATERMALNA TOPLOTATOPLOTA 30 30

SONČNO SEVANJE178,000

FOTOSINTEZA100

PLIMOVANJE 3

TOPLOTA IZHLAPEVANJA40,000

REFLEKSIRANO V VESOLJE53,000

KINETIČNA ENERGIJA350

Nekaj podatkov o vetru

Pomembne informacije, ki jih je dobro vedeti..

Zapis energije vetra:

Wk= 1/2mv2

Wk vetra = 1/2pAv3t

– p= gostota zraka

– A = površina, ki jo pokrijejo krila

– v = hitrost vetra

Moč = Wk vetra/čas

Hitrost vetra in potencialna energija

Moč v 1 m2 pri hitrosti vetra 3 m/s:

0.5 x 1.204 x 3.14 x 12 x 33 = 51 W

Moč 1 m2 pri hitrosti vetra 5 m/s

0.5 x 1.204 x 3.14 x 12 x 53 = 236 W

Energija vetra, ki jo lahko izkoristimo, izhaja iz enačbe

½ (zračni tlak) x 3.14 (pi) x (dolžina kraka)2 x (hitrost vetra)3

Bodite pozorni na vetrnice, ki poudarjajo veliko moč pri majhnih hitrostih vetra – samo 51 W je pri 3 m/s !

Hitrost vetra in potencialna energija

Moč pri 1 m2 pri hitrosti vetra 4 m/s:

0.5 x 1.204 x 3.14 x 12 x 43 = 121 W

Moč pri 1 m2 hitrosti vetra 8 m/s

0.5 x 1.204 x 3.14 x 12 x 83 = 968 W

Energija vetra, ki jo lahko izkoristimo, izhaja iz enačbe

½ (zračni tlak) x 3.14 (pi) x (dolžina kraka)2 x (hitrost vetra)3

Ko se hitrost vetra podvoji, se potencialna energija poveča 8 krat!

Površina rotacije in potencialna energija

Moč pri 1 m pri hitrosti vetra 5 m/s:

0.5 x 1.204 x 3.14 x 12 x 53 = 236 W

Moč pri 1.5 m pri hitrosti vetra 5 m/s

0.5 x 1.204 x 3.14 x 1.52 x 53 = 532 W

Večanje velikosti vetrnice je najboljša izbira za izboljšanje izkoristka pri malih hitrostih pod 30 m/s

Kako površina vpliva na potencialno energijo? Primerjajmo 1 m krak z 1.5 m

Betzova mejaNajvečja energija, ki jo lahko pridobimo iz vetra je 59% ‘potencialne energije’

Večina komercialnih vetrnic ima 20-35% izkoristek

Primerjava nekaj vetrnic (400,900,1000 in 3000W)

Izk. Dejansko Betz. meja Teoretično AIR X 31% 30 W 58 W 98 W H40 31% 80 W 154 W 260 W H80 28% 150 W 314 W 531 W 175 35% 420 W 706 W 1196 W

Weibull-ova porazdelitev

From Hybrid Power Design Handbook, by C.D. Barley

POVPREČNA HITROST VETRA (m/s)

Fre

kven

ce p

ihan

ja v

etra

Vse 3 krivulje prikazujejo enako povprečno hitrost vetra, vendar se razlikujejo po uporabni energiji. K=2.5 prikazuje bolj konstanten veter. Vendar viharna področja s k=1.5 nudijo več energije zaradi večje frekvence vetra s hitrostjo > 10 m/s.

Hrapavost glede na podlago

Hrapavost Vpliv na veter

Voda ali led 0.1

Nizka trava 0.14

Okolje s preprekami 0.2

Predmestja in gozdovi 0.25

Sprememba hitrosti vetra zaradi višine

površina10

12.2

12.9

13.5

VIŠINA HITROST VETRA (m) (km/h)

0

10

20

30

v = vo(h/ho)

Višina stebra je pomembna – vsakih 10 m višine Pomeni dodatnih 25% Energije!

Nadmorska višina Višina stebra vetrnice Povprečna hitrost vetra

Pomembne informacije o vetru, ki jih vsekakor morate poznati

Nadmorska višina: gostota zraka z višino upada

1-150 meters 100%

150-300 meters 97%

300-600 meters 94%

600-900 meters 91%

900-1200 meters 88%

1200-1500 meters 85%

1500-1800 meters 82%

2100-2400 meters 79%

2400-2700 meters 73%

2700-3000 meters 70%

Uporaba vetra – zelo enostavno

Ovire toku vetra Ovire povzročajo v zračnem toku turbulence . V

turbulentnem področju se spreminjata tako hitrost kot smer.

Vpliv ovir

H

Področje zelo turbulentnega toka

2H

2H 20H

Prevladujoči veter

Enakomeren višinski vetrni profil

5H10H

15H

Zelo turbulentno

5H 10H 15H

Upad

hitrosti17% 6% 3%

Povečanje turbulentnce 20% 5% 2%

Upad moči vetra 43% 17% 9%

Dober položaj za vetrnico

Turbulenca

Turbulenca

Turbulenca2H

Turbulenca Turbulenca

Dober položaj za vetrnico

5H 10-15 H

H

Privetrna stran Zavetrna stran

Turbulentno področje

Smer vetra

Področje pod krivuljo je zelo turbulentno in neprimerno za namestitev vetrnice.Višino določa najvišje drevo. Nad krivuljo pa je področje laminarnega toka, idealnega za postavitev.

Dober položaj za vetrnico

Namestitev v okolici dreves

Turbulentno področje

Turbulentno področje

Dober položaj za vetrnico

Dober položaj za vetrnico

Trakovi za določanje turbulenceVrh ovire

Turbulentni tok

Miren tok

Z uporabo zmaja in dodatnih trakcev lahko ugotovimo omočje turbulence.

Prevladujoča smer vetra

Zmaj

Pospešitev preko grebena

100% 50%

120%200%

Možna velikaturbulenca

Vrh grebena

Maksimum pospešitve

Hitrost vetra

Hitrostvetra

Zračni tok na pobočjih

(A)

(C)

(D)

(B)

= Turbulenca

Doline med goramiPodročje pospeševanja vetraPrevladujoč

veterPogorje

Pogorje

Ravnina

(A)

(B)

Področje velikih hitrosti

Dolina

Pogorje

Ravnina

Prevladujoč veter

Ravnina

Doline so lahko področja močnih vetrov, če so ti

zbiti in pospešeni zaradi pogorij Pogorje

Faktor deformacijeD = A/B + C/45

Prevladujoča smervetra B A

C

Stopnja deformacije I II III IV V VI

Najverjetnejše letno

območje hitrosti vetra (km/h)7-15 14-17 16-21 19-25 22-29 24-33

Griggs-Putnamov indeksPrevladujoč veter

Stopnja deformacije iglavcev je lahko uporabljena kot zelo groba ocena za povprečno letno hitrost vetra.

Hitrost vetra I II III IV V VI VII

m/s 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 10+

Km/h 11-14 14-18 18-21 21-25 25-29 29-32 36+

0 I II III IV V VI VIIBrez deformacije

Področja brez vegetacijeOpazovanja Wind speed (m/s)

Brezveterje, dim se dviguje navpično 0.0 – 0.2

Smer dima kaže smer vetra 0.3 – 1.5

Čutimo veter na obrazu 1.6 – 3.3

Zastave plapolajo 3.4 – 5.4

Listje in papir nosi po zraku 5.5 – 7.9

Samostojni sistemi za oskrbo z električno energijo iz vetrnic

Najmanjši sistem, z vetrnico 400W in 400Ah akumulatorjev

Sistem z vetrnico moči 1000W. Tak sistem omogoča dobro oskrbo manjše, varčne hiše. Potrebno je cca 600Ah akumulatorjev.

Sistem z vetrnico moči 3000W. Tak sistem pa že omogoča oskrbo večih manjših ali energijsko potrošnega objekta. Potrebno je cca 1000Ah akumulatorjev.

Povzetek

Poznavanje povprečne hitrosti vetra– Vetrne mape– Lokalne vremenske postaje– Lokalno letališče

Nosilni steber višine 9 m nad okolico brez porasta 100 m okoli

Ocena izgub

Seveda ti majhni sistemi pomenijo le alternativo in sicer tam, kjer je moč vetra primerna. Takih krajev v Sloveniji ni veliko. Vendar lahko že sami opazite, da se klima menja in število vetrnih dni narašča…

So pa lahko upravičeni na oddaljenih lokacijah in tam, kjer ni drugih virov.

..pred vami je, da se odločite in postanete ‘svoj’ proizvajalec električne energije iz vetra..