DEBRECENI EGYETEM
SZÉLENERGIA METEOROLÓGIAI ÉS KLIMATOLÓGIAI ALAPOK METEOROLÓGIAI TANSZÉK
A LEVEGŐ VÍZSZINTES ÁRAMLÁSA • A légkörben az intenzív meridionális energiaátvitelt 90%-ban
a troposzféra cirkulációs folyamatai végzik. Cirkulációnak a gáz- vagy folyadékrészecskék olyan mozgását nevezzük, amelynek során egy-egy részecske pályája egy megközelítően önmagába visszatérő görbe. A légkörben létrejövő cirkulációs mozgások lehetnek vízszintes vagy függőleges tengelyűek. A cirkulációban résztvevő levegőrészecske • sebességvektora bármilyen időpontban felbontható egy függőleges és egy vízszintes komponensre. A vízszintes komponenst szélnek nevezzük. A szél is vektormennyiség tehát, azaz irányával és nagyságával (a szélsebességgel) határozhatjuk meg. A szélvektor irányát a meteorológiában azzal az égtájjal jelöljük, amerről a vektor a megfigyelőhely felé irányul. A szél sebességének mértékegységei pedig leggyakrabban a m/s, ill. km/h.
• A cirkulációs áramlás, így a szél létrejöttének
oka a földfelszín egyenlőtlen felmelegedéséből adódó egyenlőtlen légnyomáseloszlás. Ahhoz tehát, hogy a szél létrejöttét kielégítően meg tudjuk magyarázni, ismernünk kell az ún. légnyomási vagy bárikus mező néhány alapvető tulajdonságát. • Bárikus mezőnek nevezzük a légnyomás térbeli eloszlásának rendszerét. A barometrikus magasságformula szerint a légkör
minden egyes pontjához hozzárendelhető egy számérték, amely az ottani légnyomást jelenti.
A légnyomás és a sűrűség változása a magassággal a normál légkörben:
p = p0e
-
g z R l Tm
A levegő nyomásának (p), hőmérsékletének (T, t), sűrű-ségének (ρ) és fajlagos térfogatának (v) magassági változása normál légkörben. km
p(mbar)
T(K)
t(oC)
ρ(kg⋅m-3)
v(m3⋅kg-1)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 16 18 20
1013 899 795 701 616 540 472 411 357 308 265 226 194 142 104 76 55
288.0 281.5 275.0 268.5 262.0 255.5 249.0 242.5 236.0 229.5 223.0 216.5 216.5 216.5 216.5 216.5 216.5
15.0 8.5 2.0 -4.5 -11.0 -17.5 -24.0 -30.5 -37.0 -43.5 -50.0 -56.6 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5
1.225 1.112 1.007 0.909 0.819 0.736 0.660 0.590 0.526 0.467 0.414 0.364 0.312 0.228 0.166 0.122 0.089
0.816 0.899 0.993 1.100 1.221 1.359 1.515 1.695 1.901 2.141 2.416 2.747 3.205 4.386 6.024 8.197 11.236
• Képzeljük el, hogy a légkörben valamilyen
módon megkülönböztetjük mindazokat a pontokat amelyekben a légnyomás értéke pl. 850 mbar. Ezek a pontok (képzeletben) biztos, hogy egy összefüggő felületet alkotnak, mivel a földfelszín minden egyes pontja felett valamilyen magasságban biztosan előfordul ez a légnyomás. Ennek a felületnek tehát minden egyes pontjában ugyanannyi a légnyomás értéke. A légkörben (a térben) az egyforma légnyomású pontokra fektetett felületet légnyomási vagy izobárfelületnek nevezzük.
p3 izobár vonalak/izobárok
p3
p2
p2 p1
p1
A földfelszínnel párhuzamos sík izobárfelületek földfelszín
p1 p2
a
b
p0
p2
p1
p1
p2
p0
c
p1 p2
e
p0
p2
p1
p1
p2 az áramlás iránya
f
p0
Súrlódási réteg
ciklonális görbület anticiklonális görbület
p0
d
Szabad légkör
p0
A gradiens szélmodell Ahhoz, hogy valamely levegőrészecske nyugalmi helyzetéből kimozduljon, mozgásba jöjjön, valamilyen erőhatásra van szükség. A vízszintes mozgásokat kiváltó erő a légkörben a nyomáskülönbségekből származik. Azt az erőt, ami a horizontális mozgásokat létrehozza és alapvetően meghatározza légnyomási vagy bárikus gradiens erőnek (röviden gradiens erőnek) nevezzük.
A légnyomási (bárikus) gradiens (b): p2 Az izobár érintője
Magas nyomás ∆n
p1 p1+∆ p
r bb Alacsony nyomás
p0
r ∆p b=− ∆n A bárikus gradiens erő:
r 1 ∆p Fg = − ρ ∆n
A Coriolis-erő (Fc2) keletkezése N ω
A
ω2
ω1
ϕ O
horizontsík
ω=7.29.10-5 1/s
ω2
ω1
A
W
S
Fc2
forgásirány
S
v
b.
a.
Fc2 = 2ωvsinϕ
N E
A geosztrófikus szél fogalma, modellje. F Fg
Fc2 Eredő erő v
r r Fc2 = - Fg
1 dp 2ωvG sin ϕ = ρ dn
1 dp vG = 2ρωsin φ dn p0 p1
p2
A súrlódás hatása a szélre Az alsóbb rétegekben, az ún. súrlódási rétegben áramló levegőrészecskékre súrlódási erő hat, ami a földfelszín egyenetlenségeiből adódik. Ezért fölfelé haladva ez az erő csökken, és a szabad légkörben közel nullává válik. A súrlódási erő a légrészecske sebességének irányával ellentétesen hat (fékezi azt), nagysága pedig arányos a részecske sebességének nagyságával:
r r Fs = -kv
A k-t súrlódási együtthatónak nevezzük. Értéke a felszín érdességétől függ, szárazföldek felett általában háromszor akkora, mint a tengerek felszíne fölött. A súrlódási erő fellépte csökkenti a szélsebességet, így a Corioris-erő vízszintes összetevőjének nagyságát is. Ebből következik, hogy súrlódásos áramlásnál nem ralakulhat r ki a geosztrófikus szelet meghatározó Fc2 = - Fg egyensúly. Ehelyett - mivel a megfigyelések szerint a szél közelítőleg ekkor is egyenes vonalú egyenletes mozgás - a három erő egyensúlyának kell fennállni, azaz:
Fg
r r r Fg + Fc2 + Fs = 0 Fs
Fc2 Eredő erő v
p0
α
Fs k tg α = = Fc2 2ωsin φ p1
p2
A légnyomási mező térképes ábrázolása
A légnyomás térbeli eloszlásának ismerete tehát alapvető a meteorológiában, mivel ez határozza meg a bárikus gradienst, ezen keresztül közvetve a szél irányát és sebességét, végső soron tehát a légtömegek áthelyeződését, ami az időjárás megváltozásának legmarkánsabb kiváltója. A bárikus mezőt kétféle módon ábrázolhatjuk: ¾ adott magassági szintre vonatkozó légnyomás eloszlását megadó izobártérképpel, ¾ adott nyomásfelület abszolút vagy relatív magasságát feltüntető ún. nyomástopográfiai
térképekkel.
• Az izobártérképeken egy nagyobb terület fölött valamilyen z=konstans magassági szintben az izobárokat tüntetik fel. Leggyakrabban a z=0 magaságra, vagyis a tengerszintre vonatkozó izobártérképeket szokták elkészíteni.
∆p=5 mb Magas (M) és alacsony (A) nyomású területek. A geosztrófikus szél sebessége:
5.38 ∆p vG = sin φ ∆n
• A nyomástopográfiai térképek egyik fajtája az abszolút topográfiai térkép. Ez valamely p=konstans
izobárfelületnek a tengerszinttől mért magasságát ábrázolja. A földfelszín különböző pontjaiban tehát "megmérik" a kiválasztott izobárfelület magasságát, ezeket az értékeket rávezetik a felszínt ábrázoló térképűrlapra. • Ezután az egyforma értékű helyeket folytonos vonallal összekötik. Ezeket a vonalakat izohipszáknak nevezzük, mert - éppen úgy, mint a domborzati térkép szintvonalai - azokat a helyeket kötik össze, amelyek fölött az izobárfelület ugyanolyan magasan van. • Általában a 850, 700, 500, 300, 200, 100, 50 és 25 mbaros nyomásfe-lületek tengerszint feletti magasságát bemutató abszolút topográfiai térképeket szokták előállítani. Jelölésük: AT850, AT700, stb. Az izohipszákat 40 méterenként szerkesztik meg, értéküket pedig dekaméterekben (tíz méterekben) tüntetik fel, azaz pl. 300 =3000 m.
Az abszolút topográfia értelmezése
A 700 mbar-os izobárfelület abszolút topográfiai térképe, AT 700.
Magas és alacsony nyomású területek Izohipsza gradiens A geosztrófikus szél sebessége:
2689 vG = sin φ∆n
• A nyomástopográfiai térképek másik fajtája az
ún. relatív topográfiai térkép, amely két megadott izobárfelület függőleges menti távolságának z értékeit mutatja. Legyen az 1. izobárfelület p1, a 2. izobárfelület p2 nyomású, akkor RT p2/p1 az ezek távolságát ábrázoló térkép jelölése. • A gyakorlati meteorológiában legtöbbet használt relatív topográfiák az RT 500/1000 (a troposzféra alsó fele), RT 300/500 (a troposzféra felső fele), illetve az RT 700/1000 (a troposzféra alsó harmada). • Az izohipszák távolsága itt is 40 m és értéküket most is dekaméterekben tüntetik fel.
A relatív topográfia értelmezése:
Az 500 és az 1000 mbar-os izobárfelületek relatív topográfiai térképe, RT 500/1000. ∆z = 67,345 (log p1 - log p2)Tmvirt Fizikai tartalmuk: hőmérsékleti térképek!
Hőmérsékleti advekció meghatározása AT és RT térképek egyesítésével:
Szélprofil, szélenergia a bárikus gradiens iránya
Az Ekmanspirális:
v1 z1
α1
z2 α2
v2 z3
α
3
az α-k és a sebességek elméletileg levezetett képlettel meghatározhatók.
v3 vG
az izobárok iránya
Empírikus szélprofil törvények •A Sutton-féle logaritmikus összefüggés:
v h = v1 lg(1+ 360h) / lg 361 •A Hellman-féle gyökkitevös összefüggés: 5
v h = v1 h Mindkét összefüggésben a vh a h, v1 pedig az 1 m magasan mért szélsebesség. •A meteorológiai gyakorlatban abban az esetben, ha a szélsebességmérőt az előírt 10 m-nél magasabbra vagy alacsonyabbra (h méterre) szerelték, akkor a
v h = v10 (0.233 + 0.656 lg(h + 4.75)) összefüggés alapján végzik el a magassági korrekciót, azaz vh ból a v10 meghatározását.
A SZÉL MÉRÉSE
• Műszer nélkül: Szélirányt becsléssel. Szélsebesség esetén tapasztalati skála a Beaufort-féle eredetileg 12 fokozatú, majd 17 fokozatra bővített skála
• Műszerrel:
Athén–Szelek tornya; Mexikó–maya széltorony 1500 Leonardo da Vinci; 1667 Hooke nyomólapos szélmérő XVIII. sz.: Leupold szélsebességmérő, szélirány-regisztráló 1846: Robinson kanalas szélsebességmérő
Észak, É N
Északnyugat, ÉNy 340°
350°
360°
10°
Északkelet, ÉK
20°
330°
30°
320°
40°
310°
50°
NNE
NNW
300°
60°
NW
290°
NE 70°
WNW
280°
ENE
80°
Nyugat, 270° W Ny
90°
260°
WSW
250° 240°
110°
SE SSW
Kelet, K
100°
ESE
SW
E
SSE
120° 130°
230° 140°
220°
Délnyugat, DNy
150°
210° 200°
160° 190°
180°
170°
S Dél, D
Délkelet, DK
Beaufort szélerősség skála 0-6 Beaufort kategória
Szélsebesség kt
km/h mph
m/s
Átlagos szélsebesség (kt / km/h / mph)
Leírás
Hullámmagasság
Tengeri viszonyok
Szárazföldi viszonyok
m
0
0
0
0
0-0.2
0/0/0
Szélcsend
0
Sima tenger.
Szélcsend. A füst függőlegesen felszáll.
1
1-3
1-6
1-3
0.3-1.5
2/4/2
Gyenge légmozgás
0.1
Fodrozódik hab nélkül.
A szélmozgás látható a füstön
5/9/6
Könnyű szellő
0.2
Kis hullámok. A tarajok üvegesek, de nem buknak át.
A szél érezhető a bőrön, a levelek suhognak
0.6
Nagy hullámok. A hullámtarajok kezdenek átbukni, elszórtan fehér a teteje.
Levelek és kisebb gallyak állandóan mozognak
1
A hullámok alacsonyak, de egyre hosszabbak.
A füst és lebegő papír emelkedik. A kisebb ágak mozogni kezdenek.
2
Mérsékleten (1.2m) hosszú hullámok Néhány taraja habzik és tajtékzik.
Kisebb fák billegnek
Nagy hullámok átbukó tarajjal, amelyek néha tajtékzanak.
Nagyobb ágak mozognak Drótok felett fütyül a szél. Nehéz használni az esernyőt.
2
3
4
5
6
4-6
710
1116
1721
2227
7-11
1219
2029
3039
4050
4-7
812
1318
1924
2531
1.6-3.3
3.4-5.4
5.5-7.9
8.010.7
10.813.8
9 / 17 / 11
13 / 24 / 15
19 / 35 / 22
24 / 44 / 27
Szelíd szél
Mérséklet szél
Élénk szél
Erős szél
3
Beaufort szélerősség skála 6-12 Beaufort kategória
7
8
9
Szélsebesség kt
2833
3440
4147
km/h mph
5162
6375
7687
3238
3946
4754
m/s
13.917.1
17.220.7
20.824.4
Átlagos szélsebesség (kt / km/h / mph)
30 / 56 / 35
37 / 68 / 42
44 / 81 / 50
Leírás
Hullámmagasság
Tengeri viszonyok
Szárazföldi viszonyok
4
Viharos tenger. A tajtékzó hab csíkokba rendeződik
Az egész fa mozog. Erőfeszítés kell a széllel szemben haladni
5.5
Mérsékleten magas, hosszú tarajú hullámhegyek, a tajtékzó hab egyértelműen csíkokba rendeződik
Gallyak törnek le a fáról. Autók irányt változtatnak az úton
7
Magas hullámok (2.75 m) sűrűn tajtékkal. A hullámok teteje átfordulnak. A víz jelentősen szóródik és habzik.
Enyhe veszély az épületekre
A fák gyökerestől kifordulnak. Jelentékeny veszély az építményekre. Minden építményre veszélyt jelent.
m
Nagyon erős szél
Szélvihar
Erős szélvihar
10
4855
88102
5563
24.528.4
52 / 96 / 60
Vihar
9
Nagyon magas hullámok. A tengerfelszín fehér és állandóan hánykolódik. A látótávolság csökken.
11
5663
103117
6472
28.532.6
60 / 111 / 69
Heves vihar
11.5
Szokatlanul magas hullámok
12
>63
>117
>72
>32.7
N/A
Orkán, hurrikán
14+
Óriási hullámok. A levegő tele van tajtékzó vízzel és habbal. A tenger teljesen fehér. A látótávolság jelentősen
Súlyos veszély minden építményre
Szélirány, szélnyomás Wild-féle nyomólapos szélzászló
- Szélfogó: két, egymáshoz -
hajló fémlemez nyomólap: 15×30 cm fémlemez a szélerősség Beaufort-fokban olvasható le.
Szélsebesség
Módszer: egységnyi felületre ható szélnyomás, egységnyi idő alatt megtett út mérése. – Forgókerekes: Fordulatszámot mér. Forgókanalas szélsebességmérő ¾Kézi kanalas, lapátkerekes – Aerodinamikus: Nyomásmérésre vezeti vissza a szélsebességmérést. ¾Fuess-féle univerzális szélíró – Elektomos: A szél hűtő hatását használja ki ¾Albrecht-féle hődrótos anemométer – Szónikus: Hangimpulzusok alapján.
Forgókanalas szélmérők Kézi kanalas szélmérő • Érzékelője: 3 domború félgömb • A körülfordulások időegységre vonatkoztatott számából megadható a szélsebesség • Írókészülékhez kapcsolható Lapátkerekes szélsebességmérő
Aerodinamikus szélsebességmérők Fuess-féle univerzális szélmérő
statikus és dinamikus
nyomás közötti különbségre épít Érzékelője: búvárharang Széllökések sebességét, szélirányt, átlagsebességet regisztrál
Elektromos: A szél hűtő hatását használja ki, pl. Albrecht-féle hődrótos anemométer Szónikus: Akusztikus szélsebességmérő. Hangimpulzusokat bocsát ki. Széliránytól és szélsebességtől függően időbeli eltérések tapasztalhatók az érzékelőben.
Automata meteorológiai mérőállomások
Az automatizálás okai: Törekvés a: • minőségre (hosszú távon megbízható műszerek) • pontosságra (minél kisebb hibaszázalék), • nagyobb sűrűségű mérésekre, • gazdaságosságra. Folyamatos technológiai fejlődés – rendelkezésre állás Szélenergetikai mérések!!
Felépítésük • Oszlopra szerelt érzékelőkből és
adatgyűjtőből állnak, • Ez számítógéppel áll kapcsolatban (az állomástól távol is elhelyezkedhet), • Az egyes állomások szintén összeköttetésben állnak egymással, • Az adatok azonnal http-szerverre is kerülhetnek.
Automata szélmérés:
o A szélzászló házában elhelyezett
infravörös optikai érzékelő Gray-kódolású tárcsával határozza meg az aktuális irányt.
o Az anemométer házában infravörös opto-szaggató (chopper) a szélsebességgel arányos frekvenciájú jelet ad le.
Mérőtornyok: – Magyarországon
Pakson – 2, 10, 50 és 120 m-n mérőerkélyeken mérik a különböző paramétereket, – nehézkes a megközelítés, – max. 600 m-ig lehet így mérni.
Ballonszonda: olyan meteorográf, amely szabad léggömbre kötve, a talajtól a léggömb pukkanásáig megméri és regisztrálja a felsőbb légrétegek állapotjelzőit. •Pilot-léggömbös mérések (műszer nélküli, szabad léggömb, amit az uralkodó szél vizuális megfigyelésé-re használtak) – nehézkessé vált, így áttértek a
•Rádió-szélmérésekre (lokátoros követés)
SODAR (SOnic Detection And Ranging
Amit nem tudunk mérni: A SZÉL ENERGIÁJA. Az áramló levegő kinetikus energiája:
ρ≈állandó vt
A
v
A SZÉLENERGIA HASZNOSÍTÁS ESZKÖZEI:
Történelmi dokukentumok alapján Babilóniában Hammurabi szervezett öntözést szélmalmok segítségével Első ismert berendezések i.e. 1600 Perzsából, Kínából származnak – vertikális tengelyűek voltak
A szélenergia hasznosítás eszközei:
A szélenergia hasznosítás eszközei: • Első horizontális tengelyű
• •
http://www.nrgsystems.com/upload/photos/45VTCNYSETAConference.pdf
szélmalmot i.e. 300 Egyiptomban építettek és használtak Keresztesek hozták Európába XIV. sz-ban a Hollandok fejlesztették tovább – 4 vitorla
A szélenergia hasznosítás eszközei • XVIII. századra angol és •
holland feltalálók oldották meg a szélirányba fordítást Amerikai bevándorlók a Nagy Síkságon alkalmazták vízhúzásra – első tömegesen gyártott típust
A szélenergia hasznosítás eszközei: Charles F. Brush (18491929) Első automatikusan működő elektromos áramot termelő szélgenerátor (Ø17m , 144 rotorlapát) • Cleveland, Ohio • General Electric Co.
A szélenergia hasznosítás eszközei Poul la Cour (1846-1908) • Elektromos áramot termelő
•
tesztturbina Askov, Dánia
http://www.poullacour.dk
J. Juul, 1956 • Gedser turbina • 200 kW
Történeti áttekintés: Magyarországon van kihasználható szélenergia A(kiskun)dorozsmai szélmalom (Bölcs u. Szélmalom u.).
Magyarországon a török hódoltság után jelentek meg nagyobb számban a szélmalmok, bár helyenként már a 15. században is előfordultak. Elterjedésük azonban csak a 17. században vált általánossá, a legtöbb szélmalmot viszont hazánkban 1866. és 1885. között építették
Számuk így alakult: • 1863-ban 475, • 1873-ban 854, • 1885-ben 650, • 1894-ben 712 • 1906-ban 691 (Bárány, Vörös és Wagner, 1970).
A 19.sz. végén, a 20. sz. elején az ország szélmalmainak több mint 95 %-a az Alföldön helyezkedett el (ábra, Keveiné Bárány I., 1991), ami önmagában is elegendő bizonyíték arra, hogy hazánknak ezen a táján is van elegendő hasznosítható szélenergia.
• A térkép egyértelműen
mutatja azt is, hogy a szélmalmok többsége a Dél-Alföldön található, ami arra utal, hogy a szélviszonyok ezen a tájon leginkább itt feleltek meg a nem túl magasan elhelyezett, kb. 20 kW teljesítményű szélmalmok működési feltételeinek. Az egykori szélmalmok helyei tehát a vizsgálatok szerint (Keveiné Bárány I., 2000) pontosan kijelölik azokat a térségeket, ahol minden valószínűség szerint gazdaságos szélenergia kitermelés lehetséges.
MAGYARORSZÁG SZÉLKLÍMÁJA: Területi különbségek:
Az uralkodó szélirányok és az átlagos szélsebesség területi eloszlása Magyarországon a téli félévben (Kakas nyomán Dobosi és Felméry, 1971)
Az uralkodó szélirányok és az átlagos szélsebesség területi eloszlása Magyarországon a nyári félévben (Kakas nyomán Dobosi és Felméry, 1971)
Az uralkodó szélirányok Magyarországon
Wantuchné Dobi I. et al., 2005
A szélerősség évi középértékeinek területi eloszlása (B°, 30 évi átlag, Bacsó nyomán Dobosi és Felméry, 1971)
Az évi átlagos szélsebesség (Bartholy – Radics – Bohoczky , 2003)
MAGYARORSZÁG SZÉLKLÍMÁJA: Időbeli változás: a szélsebesség (köbök) átlagos napi menete
m 3/s 3
m 3/s 3
Szeged, 1996. május: A2/E=0,0 (min.)
120
Pécs, 1999. július: A2/E=0,3 (min.)
120
100
100
80
80
60
60
megfigyelt
megfigyelt
40
40
1. közelítés
1. közelítés 2. közelítés
2. közelítés 20
20
óra
óra
100
70
megfigyelt 1. közelítés
60
2. közelítés
egy nappali/éjszakai maximum,
50 40 30 20 10
óra 24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
0 1
egy éjszakai/nappali minimum.
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
9
10
8
7
6
5
4
3
Egyszerű napi menet (24 órás periódus):
90 80
2
24
23
22
21
Kékestető, 1998. június: A2/E=0,2 (min.)
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
m /s
3
1
0
0 3
MAGYARORSZÁG SZÉLKLÍMÁJA:
Időbeli változás: a szélsebesség (köbök) átlagos napi menete
m 3/s 3
m 3/s 3
Szeged, 2000. január: A2/E=3,2 (max.)
250
Pécs, 2000. február: A2/E=3,3 (max.)
240 220 200
200
180 160 150
140 120 100
100
80
megfigyelt 50
1. közelítés
60
2. közelítés
40
2. közelítés óra
320
Összetett napi menet (12 órás periódus):
300 280 260 240 220 200
két nappali minimum/maximum
180 160 140
megfigyelt
120 100
1. közelítés 2. közelítés
80 60 40 20
óra 24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
egy nappali és egy éjszakai maximum/minimum.
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
24
23
22
21
Kékestető, 2000. január, A2/E=3,2 (max.)
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
9
10
8
7
6
5
4
3
0 2
1
1. közelítés
20
óra 0 m 3/s 3
megfigyelt
S z o m b a t h e ly
% 16
1 9 6 8 -7 2
14
MAGYARORSZÁG SZÉLKLÍMÁJA:
1 9 9 1 -9 5
12 10 8 6 4 2 hónap
0 I.
II.
III.
IV .
V.
% 14
V I.
V II.
V III.
IX .
X.
X I.
X II.
B udapest 1 9 6 8 -7 2
12
1 9 9 1 -9 5
10 8 6
Időbeli változás:
A relatív szélteljesítmény éves menete (éghajlatváltozás?)
4 2 hónap
0 I.
II.
III.
IV .
V.
% 18 16
V I.
V II.
V III.
IX .
X.
X I.
X II.
D e b re c e n 1 9 6 8 -7 2 1 9 9 1 -9 5
14 12 10 8 6 4 2 0
hónap I.
II.
III.
IV .
V.
V I.
V II.
V III.
IX .
X.
X I.
X II.
MAGYARORSZÁG SZÉLKLÍMÁJA:
Relatív mennyiségek: szélirányok relatív energiatartalma %
A szélirányok relatív energiatartalma (1991-2000)
45 40
Szombathely
35
Budapest
30
Debrecen
25 20 15 10 5 NNW
NW
WNW
W
WSW
SW
SSW
S
SSE
SE
ESE
E
ENE
NE
NNE
N
0
MAGYARORSZÁG SZÉLKLÍMÁJA: Relatív mennyiségek: szélirányok relatív gyakorisága % A szélirányok relatív gyakorisága (1991-2000) 20 18
Szombathely
16
Budapest
14
Debrecen
12 10 8 6 4 2 NNW
NW
WNW
W
WSW
SW
SSW
S
SSE
SE
ESE
E
ENE
NE
NNE
N
0
Egy jellemző és egy nem jellemző szélirány energiatartalmának aránya (CDe/NDe) CDe/NDe Megf. állomás Tél
Tavasz
Nyár
Ősz
Év
Szombathely
3.2
12.3
12.2
10.7
9.8
Budapest
3.3
3.9
6.0
2.7
3.9
Debrecen
5.3
1.7
1.9
2.8
2.8
átlag
3.9
5.9
6.7
5.4
5.5
Az energetikai uralkodó szélirányok (PD) és relatív energiatartalmuk (PDe).
Időszak
Szombathely PD
PDe
Budapest PD
Debrecen
PDe
PD
PDe
Tél
N
42.9
NW
29.2
SSW
15.5
Tavasz
N
42.3
NW
29.6
NNE
13.0
Nyár
N
42.0
NW
31.1
NNE
14.2
Ősz
N
40.8
NW
29.5
SSW
13.3
Év
N
42.2
NW
29.8
NNE
13.6
MENNYI VAN? Meteorológiai adatbázison alapuló becslési módszerek hazánk potenciális szélenergiájára. • •
• •
Közelítő/spekulatív becslések Statisztikai becslések a meteorológiai állomások széladataiból Éghajlati célú feldolgozások alapján Energetikai célú feldolgozások alapján - Relatív mennyiségek: a szélirányok relatív energiatartalma - Relatív mennyiségek: A napi átlagos fajlagos szélteljesítmény becslése csúszó átlagolással - A szélsebesség magasságtól való függésének becslése - Numerikus becslés: A napi átlagos fajlagos szélteljesítmény becslése közelítő függvénnyel Modell-becslések Energetikai szélmérések
Meteorológiai szél adatbázis: Előny: hosszú idejű, akár 10 perces mérések, az országot egyenletesen lefedő állomások
Hátrány: általában 10 m magasság
• Közelítő becslések:
Vajda (1999): A légmozgásokban megtestesülő mozgási energia a légkör
(~troposzféra) teljes energiájának csupán kis része, hatalmas teljesítményt, 1.5 PW-ot képvisel. Gyakorlati kiaknázásra azonban természetesen csak az alsó 100-200 m-es réteg jöhet számításba, vagyis mindössze 1 %, azaz 15 TW. Ennek 20 %-a, 3 TW jut a szárazföldekre. A gondolatot tovább folytatva ebből az következik, hogy hazánk területére – ami az összes szárazföld (149 millió km2) területének kb. 0.6 ezreléke - 1.8 GW szélteljesítmény esik.
¾ Közelítő becslések:
• Koppány (1989) a budapesti magaslégköri megfigyelések
alapján 1929-1953) meghatározott átlagos szélsebesség és a normál légkör sűrűségének magasság szerinti változásaiból arra következtetett, hogy egy 500 m magas dombtetőn több mint 11-szer nagyobb fajlagos szélteljesítmény nyerhető, mint a síkságon, még akkor is, ha a domborzatnak a szélsebességre gyakorolt hatásától (a levegőtrajektóriák összetartása) eltekintünk. Feltevése és számítása szerint Magyarország 500 m-t elérő vagy meghaladó területeire (hegygerincek, fennsíkok a
Bakonyban, a Mecsekben, a Dunazug-hegységben, a Budai hegyekben, valamint az Északi-középhegységben) kb. 4000
szélerőművet állíthatnánk fel, amelyek együttes energiatermelése 3220 MWh/nap (100 m2 rotor-felülettel és 30 %-os hatásfokkal számolva). Ez összesen 1.18*106 MWh/év, ami az ország villamos energia fogyasztásának kb. 3 %-a az 1986-os adatok alapján. Valószínű, hogy ez az arány most is kb. ennyi, mert az energiafogyasztással együtt nőtt a szélerőművek teljesítménye is.
¾ Közelítő becslések: E0=323,4 PJ/év=89,8 TWh/év, P0=10250 MW=10,25 GW
ρ=1,23 kg/m3 0,93.105 km2 vátl=3 m/s
100 m
vátl=5,3 m/s
¾Közelítő becslések: A sűrűség és a szélsebesség magassággal való változását is figyelembe véve: • A légkör kinetikus energiájának 35 %-a oszlik szét az alsó 1 km-es rétegben, ez 1,26 PJ az egész Földön. • Ennek 1/25-öd része, azaz 4 %-a jut az alsó 200 m-es rétegbe: 0,0504 PJ=50,4 GW • Figyelembe véve országunk területének és a Föld teljes felületének arányát (ld. előbb) éves átlagban a szélteljesítmény 6,24 GW. • Kb. a két előbbi becslés átlaga, összemérhetők.
A szélsebesség magasságtól való függése:
TENGER
PART
VÁROS
A szélsebesség magasságtól való függésének becslése
A leggyakrabban használt empirikus szélprofil törvények:
WMO: vh=v10[0.233+0.656lg(h+4.75)] (nincs paramétere!) Hellmann-féle gyökkitevős:
⎛ h2 ⎞ v 2 = v1⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ h1 ⎠
α
(a meteorológiai állomásokon h1=10 m) α: a felszín tagoltságának és a légkör egyensúlyi helyzetének függvénye ► napi és évi menete van!
A havi átlagos szélsebesség és a hónap egy napjára átlagosan eső fajlagos szélteljesítmény évi menete hazánk szélenergiában legszegényebb és leggazdagabb pontján különböző magasságokban a WMO által ajánlott összefüggés szerint
Mit ajánl a szakirodalom az α-ra? • Aujeszky (1949) szerint az α=0.2 értékkel igen jó közelítést • • • • • •
érhetünk el 250 m-ig. Ezzel az alakjával dolgozott Ledács-Kiss (1977, 1983), Tóth et al. (2001), Patay (2001a, 2001b, 2003). A meteorológiai tornyok és az energetikai szélmérések adatai alapján azonban α értékét a felszíni súrlódásnak megfelelően pontosítani lehetett. Kajor (2002a, 2002b) szerint értéke 0.14 (sima tenger felett) és 0.34 (érdes szárazföldi terület) között változik. Radics (2004) szerint a kitevő értékei 0.14 sík vidéken és vízfelszín felett, 0.2 érdes, dombos felszín esetén, 0.28 települések felett. Legrészletesebb adatokat a kitevőre Sembery és Tóth (2004) munkájában találunk: sík mező 0.12; nyílt terep 0.16; erdős síkság 0.25; város alacsony épületekkel 0.35; város magas házakkal 0.50. Ugyanakkor Péczely (1979) szerint az a kitevő a felszíni érdesség mellett függ a szélsebességtől (növekvő szélsebességgel értéke csökken) és a levegő hőmérsékleti rétegződésétől is. Szerinte, pl. füves felszín fölött átlagos szélsebességnél 0.3-nak vehető.
Mérőtornyok: – Magyarországon
Pakson – 2, 10, 50 és 120 m-n mérőerkélyeken mérik a különböző paramétereket, – nehézkes a megközelítés, – max. 600 m-ig lehet így mérni.
Az α kitevő évi átlagai és szórásai a különböző szintek között különböző módszerekkel meghatározva a paksi toronymérések alapján. átlag 2000. szórás
átlag 2001. szórás
2. az 1. a napi óránkénti átlagsekitevők bességeknapi ből átlagából
3. irányok szerint
20→50
0.43
0.50
0.50
20→120
0.44
0.47
0.46
50→120
0.44
0.43
0.43
20→50
0.10
0.15
20→120
0.09
0.11
50→120
0.12
0.14
20→50
0.41
0.45
0.45
20→120
0.43
0.45
0.44
50→120
0.46
0.45
0.45
20→50
0.10
0.12
20→120
0.09
0.10
50→120
0.12
0.13
Az α kitevő átlagos napi menete A kitevő napi menete, Paks, 120m, 20 m-ből számolva (óraátlagok) α 0.80 0.70
2000.
0.60
2001.
0.50 0.40 0.30 0.20 0.10
m érési időpontok 23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
9:00
8:00
7:00
6:00
5:00
4:00
3:00
2:00
1:00
0:00
0.00
A kitevő irány szerinti változása (Paks, 2000) N NNW NW
0.70
NNE
0.60
NE
0.50 0.40 0.30
WNW
ENE
0.20 0.10
W
E
0.00
a20-50 a20-120 a50-120
WSW
ESE SW
SE SSW
SSE S
A kitevő irány szerinti változása (Paks, 2001) N NNW NW
0.70
NNE
0.60
NE
0.50 0.40 0.30
WNW
ENE
0.20 0.10
W
E
0.00
a20-50 a20-120 a50-120
WSW
ESE SW
SE SSW
SSE S
Az α kitevő egyes szélirányokhoz tartozó átlagos értékei.
A potenciális szélenergia az időjárás függvénye! Magyarország cirkulációs viszonyait a légnyomási képződményeknek (ciklon, anticiklon) az ország területéhez viszonyított helyzete határozza meg elsősorban. Ez jellemezhető: • a makroszinoptikus helyzetekkel, • a frontok elhelyezkedésével.
A
A: alacsony nyomású képződmény, ciklon M: magas nyomású képződmény, anticiklon.
hidegfront
A Péczely-féle makroszinoptikus helyzetek:
Meridionális irányítású helyzetek északias áramlással (MN helyzetcsoport) 1 mCc ciklon hátoldali áramlásrendszere 2 AB anticiklon a Brit-szigetek térségében 3 CMc mediterrán ciklon hátoldali áramlásrendszere Meridionális irányítású helyzetek délies áramlással (MS helyzetcsoport) 4 mCw ciklon előoldali áramlásrendszere 5 Ae anticiklon Magyarországtól keletre 6 CMw mediterrán ciklon előoldali áramlásrendszere Zonális irányítású helyzetek nyugatias áramlással (ZW helyzetcsoport) 7 zC zonális ciklonális helyzet 8 Aw nyugatról benyúló anticiklon 9 As anticiklon Magyarországtól délre Zonális irányítású helyzetek keleties áramlással (ZE helyzetcsoport) 10 An anticiklon Magyarországtól északra 11 AF anticiklon Fennoskandinávia térségében Centrumhelyzetek 12 A anticiklon a Kárpát-medence fölött 13 C cikloncentrum a Kárpát-medence fölött
Magyarországi fronttípusok:
1. közelítő hidegfront
2. tartózkodó hidegfront
4. tartózkodó melegfront
5. közelítő okklúziós front 8. egyidejűleg tartózkodó meleg- és hidegfront
7. közelítő meleg- és hidegfront
3. közelítő melegfront
6. tartózkodó okklúziós front 9. egyidejűleg tartózkodó meleg-, hideg- és okklúziós front
Numerikus becslések:
A napi átlagos fajlagos szélteljesítmény becslése közelítő függvénnyel a diszkrét mérési adatok folytonoss á tíé tel éhez A fajlagos szélteljes tm ény az egységnyi függőleges felületen egységnyi idő alatt átáramló levegő tömegének mozgási energiája. Kiszámítása egy adott időpontban a
ρ 3 Pf = v 2
összefüggés alapján történik, ahol v a szélsebesség, ρ a levegő sűrűsége, mértékegysége pedig Wm-2. A meteorológiai állomásokon (általában 10 m-en) mért szélsebesség adatok alapján tehát megpróbálkozhatunk a fajlagos szélteljesítménynek adott időszakra vonatkozó becslésével is. Egy adott időszak, pl. egy nap összes potenciális szélenergiáját az időszak egyes időpontjaiban mért szélsebességekből lehet meghatározni. Két lehetőség adódik: • az összefüggésben az időszak átlagsebességét írjuk a v helyébe, • az időszak egyes (diszkrét) időpontjaiban meghatározott értékeket összegezzük.
Az eredmény mindenképpen függ a mérési időpontok számától! • A függőség kiküszöbölésére létezik elvi megoldás, ha az időszak egy napjára átlagosan jutó fajlagos szélteljesítményt a következőképpen definiáljuk: a szélsebesség köbök óránkénti átlagának napi menetét közelítő függvény görbe alatti területe (határozott integrálja) szorozva a levegő sűrűségének felével.
Legyen közelítő függv ény a következő: 2 f2 ( x ) = a 0 +
∑
( a m cos
m =1
2 π mx 2 π mx + b m sin ) N N
vagyis egy trigonometrikus polinomokból álló Fourier-sor első két eleme, ahol tehát N=24, x=1, 2, …, N (Dobosi-Felméry, 1971). A fenti függvény primitív függvénye a következő: 2 am bm F2 ( x ) = a 0 x + ( sin α m x − cos α m x ) αm αm m =1
∑
2πm αm = N
Ha tehát az am és bm együtthatók meghatározásához a szélsebesség köbök óránkénti átlagának idősorát (napi menetét) használjuk, akkor az időszak egy napjára átlagosan jutó fajlagos szélteljesítmény:
Pnaf
ρ = [F2 ( 24) − F2 (1)] 2
Példa a szélsebesség köbök óránkénti átlagának az f2(x) függvénnyel való közelítésére: m3/s3
Nagykanizsa, tavasz (1968-72) 110
megfigyelt közelített
100 90 80 70 60 50 40 30
óra
20 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
A napi átlagos fajlagos szélteljesítménynek a közelítő függvény görbe alatti területével becsült értékei (Wm-2 , vastag: a legnagyobb, dőlt: a legkisebb évszakos érték ). év Kisvárda 680 Debrecen 1076 Békéscsaba 789 Szeged 1475 Kecskemét 502 Baja 454 Budapest 1023 Győr 977 Kékestető 2276 Miskolc 228 Szombathely 4739 Pápa 2218 Keszthely 852 Siófok 1898 Nagykanizsa 598 Pécs 1206
1968-72 tél tavasz nyár 809 910 471 992 1475 857 748 1131 591 1829 2090 947 532 768 309 538 609 353 933 1309 947 1057 1264 784 2539 2437 1392 178 359 157 6328 6101 3338 2131 2589 2402 1143 984 678 1649 1940 2252 705 790 467 1428 1653 944
ősz 539 978 682 1035 400 315 900 800 2755 216 3180 1747 605 1743 432 798
év
1991-95 tél tavasz nyár
ősz
793 883 1163 546 580 931 993 1364 587 776 1183 1203 1722 722 1085
517 538 670 407 454 520 664 677 290 449 1494 2184 1410 791 1607 765
778
1087
657
537
2254 2408 3243 1802 1481 285 323
423 209
178
870 1169 1234 518
592
A második időszak (1991-95) napi átlagos fajlagos szélteljesítménye az első időszak (1968-72) napi átlagos fajlagos szélteljesítményének százalékában (vastag dőlt: növekedés, dőlt: a legkevesebb csökkenés, vastag: a legnagyobb csökkenés).
Debrecen Békéscsaba Szeged Budapest Győr Kékestető Szombathely Keszthely Pécs átlag Miskolc
év 74 118 80 51 53 66 48 34 72 66 336
tél 89 133 66 58 63 86 38 28 82 71 437
tavasz 79 121 82 51 54 58 53 43 75 68 303
nyár 64 99 76 43 37 57 54 31 55 57 419
ősz 59 114 105 50 56 58 47 29 74 66 248
Modell-becslések: Hazánkban esőként a szélmező dinamikus modellezésére a WAsP (Wind Atlas Analysis and Application Program) modellt használták a kutatók (Radics, 2001; Bartholy és Radics, 2000a, b; 2001; Radics és Bartholy, 2001, OMSz). Ez a széladatok horizontális és vertikális extrapolációjára szolgáló lineáris, spektrális modell, amelyet Dániában fejlesztettek ki. A WAsP alkalmas a domborzati és érdességi adatok alapján egy terület szélklímájának becslésére, az átlagos szél teljes energiájának számítására és a szélerőmű közepes teljesítmény outputjának meghatározására.
A WAsP modell szerkezete A szélirány és szélsebesség idősora
Az észlelőhely leírása
Az akadályok korrekciója
Szélsebességek szélirány szerinti hisztogramja
Árnyékolási almodell Orografikus korrekció Orográfiai almodell Érdességi korrekció
Korrigált hisztogram
Upward transzformáció: geosztrófikus szél hisztogramja Downward transzformáció: hisztogram 10 m-en
Érdesség-változási almodell
Effektív érdesség Weibull paraméterek
A széltérkép statisztikák adatbázisa
Stabilitási korrekció
Weibull paraméterek adott magasságban
Az átlagos szélsebesség és a potenciális szélteljesítmény becslése a WAsP modellel 18 m-en (Hegyhátsál).
A rendelkezésre álló szélteljesítmény-mező horizontális szerkezete Hegyhátsál 40x40 km-es körzetében különböző magasságokban (Radics, 2004).
Fajlagos szélteljesítmény (Radics, 2004)
Példa a WAsP-modellel és interpolásiós technikával létrehozott kompozit széltérképre: az évi átlagos szélsebesség (m/s) 50 m-en. Az évi átlagos szélsebesség (m/s) 50 m-en.
Példa a WAsP-modellel és interpolásiós technikával létrehozott kompozit széltérképre (Radics, 2004)
További modellek: • Statisztika klimatológiai modell: térbeli
interpoláció a meteorológiai állomások homogenizált adatsorából. • Dinamikus modell: leskálázáson alapuló numerikus eljárás.
Energetikai szélmérések
Energetikai szélmérés: 10 m és legalább 30 m magasan, sűrű
mintavétel, 10 perces átlagértékek rögzítése
A szélenergia-kutatás szempontjából javasolt mérőhelyek és a meteorológiai állomáshálózat az ötvenes években (Kakas és Mezősi, 1956)
Energetikai szélmérés
Az energetikai szélmérés gondolata tehát megszületett, azonban a – részleges – megvalósulására hosszú ideig kellett várni. 1991-ben az MVM és az OVIT támogatásával beindult egy 1 éves program, amelynek legfontosabb eleme az, hogy az országban 10 távvezeték oszlopra (26 és 50 m magasság között) szélsebesség mérőket szereltek fel, amelyek 1 éven át működtek.
E mérések és néhány más meteorológiai állomás szélsebesség adatainak felhasználásával készült Magyarország első energetikai széltérképe, (Blahó és Marshall, 1993). A térkép azt sugallja, hogy igazából csak a Dunántúl nyugati, észak-nyugati részén van kihasználható szélenergia.
Az energetikai szélmérés mai lehetőségei: 1. Magyarország automata meteorológiai állomáshálózata 2. Meteorológiai mérőtornyok 3. Pilot és rádiószondás mérések 4. Expedíciós mérések a kiválasztott területen 5. SODAR, windprofiler….
Széltérképek: egy adott időszak átlagos szélsebességét vagy az adott időszakra eső átlagos fajlagos szélteljesítményt ábrázolják különböző magasságokban
(ENERGETIKAI) SZÉLMÉRÉS MODELL (WAsP, statisztikai, dinamikus) INTERPOLÁCIÓS TECHNIKÁK
SZÉLTÉRKÉP
A havonkénti átlagos szélsebesség 10 m-en: statisztikai széltérkép.
Statisztikai meteorológiai széltérkép 10 méteren: éves átlagsebesség:
Az ország területének 72%-án 3-4 m/s az éves átlagos szélsebesség.
Klímavédelem: „Minden kilowattóra elektromos áram, amelyet szélerőmű-vel állítunk elő 0.5-1.0 kg-mal csökkenti a CO2 emissziót.” (Gipe, 1995)
