Jak oszacować uzysk energii elektrycznej z turbiny wiatrowej?

Zastanawiałem się ostatnio nad zasadnością instalacji turbiny wiatrowej.

Aby rozpocząć jakiekolwiek analizy, trzeba znać ilość energii produkowaną przez turbinę. I tu pojawia się problem. Jak oszacować ten uzysk?

Analizując temat, natrafiłem na mnóstwo wzorów i porad bardziej i mniej skomplikowanych. Osobiście odradzam liczenie mocy w oparciu o energię wiatru, powierzchnię łopat i sprawność turbiny. Liczba założeń przyjmowanych w tym sposobie liczenia jest tak duża, że trudno liczyć, aby uzyskany wynik był gdzieś w okolicach poprawności, a po drugie producenci nie zawsze podają powierzchnię łopat.

W mojej ocenie znacznie poprawniej można wyliczyć uzysk energii z turbiny, opierając się o charakterystykę mocy i rozkład Weibulla.

Charakterystyka mocy turbiny w funkcji prędkości wiatru pozwala określić, jaką moc będzie uzyskiwać turbina przy danej prędkości.

Taką charakterystykę powinien udostępniać każdy producent, a jeżeli jej nie posiadamy, możemy sami ją wyznaczyć.

Moc turbiny rośnie w przybliżeniu wykładniczo od prędkości rozruchu do prędkości nominalnej według wzoru f(v) = v3 (w rzeczywistości końcówka wykresu jest nieco spłaszczona, ale to można pominąć). Następnie od prędkości nominalnej do prędkości zatrzymania moc turbiny jest w przybliżeniu stała i równa mocy nominalnej.

Jeżeli prędkość wiatru byłaby każdego dnia powyżej prędkości nominalnej, poniżej prędkości zatrzymania uzysk energii można byłoby wyliczyć jako iloczyn mocy turbiny i ilości godzin w roku. W rzeczywistości wieje jednak znacznie słabiej. Czasem tak słabo, że turbina nawet nie wystartuje a najczęściej tak, że turbina pracuje z częścią mocy nominalnej.

Posiadając średnią roczną prędkość wiatru można oszacować jej zmienność korzystając z rozkładu Weibulla.

Rozkładu Weibulla jest pojęciem z zakresu prawdopodobieństwa i w energetyce wiatrowej odpowiada na pytanie, z jakim prawdopodobieństwem wystąpi wiatr o prędkości v1, v2, v3, v4,…vn jeżeli średnia roczna to vx.

Przykładowy rozkładu Weibulla zrobiony na potrzeby tej analizy w Excelu dla średniej prędkości wiatru 7 m/s.

Znając średnią prędkość wiatru, np. z IMGW liczymy prawdopodobieństwo dla prędkości od v rozruch turbiny do V zatrzymania. Z charakterystyki odczytujemy lub wyliczamy procent mocy nominalnej przy danej prędkości wiatru. Mnożymy prawdopodobieństwo dla danej prędkości wiatru razy procent mocy nominalnej przy danej prędkości wiatru. Na koniec sumujemy prawdopodobieństwa skorygowane o moc i wyliczamy wskaźnik wykorzystania mocy turbiny.

W tym przykładzie przy średniej prędkości wiatru 7 m/s i turbinie startującej przy 3 m/s i osiągającej moc nominalną przy 14 m/s wskaźnik wykorzystania wyniósł 33%, czyli uzysk mocy będzie wynosił 0,33*365*24*2,5 kW = 7227 kWh/rok.

Źródło:

SOLARIS Odnawialne Źródła Energii

Autor mgr inż. Bogdan Szymański specjalista z zakresu odnawialnych źródeł energii.