DEBRECENI EGYETEM SZÉLENERGIA METEOROLÓGIAI ÉS KLIMATOLÓGIAI ALAPOK METEOROLÓGIAI TANSZÉK

Átírás

1 DEBRECENI EGYETEM SZÉLENERGIA METEOROLÓGIAI ÉS KLIMATOLÓGIAI ALAPOK METEOROLÓGIAI TANSZÉK

2 A LEVEGŐ VÍZSZINTES ÁRAMLÁSA A légkl gkörben az intenzív v meridionális energiaátvitelt 90%-ban a troposzféra ra cirkuláci ciós s folyamatai végzik. Cirkuláci ciónak a gáz-g vagy folyadékr krészecskék k olyan mozgását t nevezzük, amelynek során n egy-egy részecske r pályp lyája egy megközel zelítően en önmagába visszatérő görbe. A légkl gkörben létrejövő cirkuláci ciós s mozgások lehetnek vízszintes v vagy függőleges tengelyűek. ek. A cirkuláci cióban résztvevr sztvevő levegőrészecske sebességvektora bármilyen b időpontban felbontható egy függőleges és s egy vízszintes v komponensre. A vízszintes v komponenst szélnek nevezzük. A szél l is vektormennyiség g tehát, t, azaz irány nyával és s nagyságával (a szélsebess lsebességgel) határozhatjuk meg. A szélvektor irány nyát t a meteorológi giában azzal az égtájjal jelölj ljük, amerről l a vektor a megfigyelőhely felé irányul. A szél l sebességének mértékegységei gei pedig leggyakrabban a m/s, ill. km/h.

3 A cirkuláci ciós áramlás, így a szél l létrejl trejöttének oka a földfelszf ldfelszín n egyenlőtlen felmelegedéséből adódó egyenlőtlen légnyoml gnyomáseloszlás. s. Ahhoz tehát, t, hogy a szél l létrejl trejöttét t kielégítően en meg tudjuk magyarázni, ismernünk nk kell az ún. légnyomási vagy bárikus mező néhány ny alapvető tulajdonságát. t. Bárikus mezőnek nevezzük k a légnyoml gnyomás térbeli eloszlásának rendszerét. A barometrikus magasságformula gformula szerint a légkl gkör minden egyes pontjához hozzárendelhet rendelhető egy számért rték, amely az ottani légnyoml gnyomást jelenti.

4 A légnyoml gnyomás és s a sűrűség s g változv ltozása a magassággal ggal a normál l légkl gkörben: p=p e 0 g - z RT l m

5 A levegő nyomásának nak (p), hőmérsh rsékletének (T, t), sűrű-ségének (ρ) és s fajlagos térfogatt rfogatának (v) magassági gi változv ltozása normál légkörben. km p(mbar) T(K) t( o C) ρ(kg m -3 ) v(m 3 kg -1 )

6 Képzeljük k el, hogy a légkl gkörben valamilyen módon megkülönb nböztetjük k mindazokat a pontokat amelyekben a légnyoml gnyomás értéke pl. 850 mbar. Ezek a pontok (képzeletben) biztos, hogy egy összefüggő felületet letet alkotnak, mivel a földfelszf ldfelszín n minden egyes pontja felett valamilyen magasságban gban biztosan előfordul ez a légnyoml gnyomás. Ennek a felületnek letnek tehát t minden egyes pontjában ugyanannyi a légnyoml gnyomás értéke. A légkl gkörben (a térben) t az egyforma légnyomású pontokra fektetett felületet letet légnyomási vagy izobárfel rfelületnekletnek nevezzük.

7

8 p 3 p 3 izobár vonalak/izobárok p 2 p 2 p 1 p 1 A földfelszf ldfelszínnel párhuzamos síks izobárfel rfelületekletek földfelszín

9 p 0 p 1 p 2 p 0 p 1 p 2 a b c ciklonális görbület anticiklonális görbület p 2 p 1 p 0 Szabad l légk gkör p 0 p 1 p 2 p 0 p 1 p 2 p 1 Súrlódási réteg d e f p 2 p 0 az áramlás iránya

10 A gradiens szélmodell Ahhoz, hogy valamely levegőrészecske nyugalmi helyzetéből l kimozduljon, mozgásba jöjjön, valamilyen erőhat hatásra van szüks kség. A vízszintes mozgásokat kivált ltó erő a légkörben a nyomásk skülönbségekből származik. Azt az erőt, ami a horizontális mozgásokat létrehozza l és s alapvetően en meghatározza légnyomási vagy bárikus gradiens erőnek (röviden gradiens erőnek) nevezzük.

11 A légnyoml gnyomási (bárikus( rikus) ) gradiens (b): p 2 r b = p n Magas nyomás n Az izobár érintője b r Alacsony nyomás p 1 p + p 1 p 0 A bárikus gradiens erő: r F g 1 = ρ p n

12 A Coriolis-er erő (Fc2)) keletkezése (F c2 ω 1 ω O S N ω 2 forgásirány ϕ A horizontsík ω= /s F c2 ω 2 a. b. W S A ω 1 v N E F c2 = 2ωvsin2 vsinϕ

13 A geosztrófikus szél l fogalma, modellje. F g F c2 Eredő erő v F r c2 r = - F g 2ωv G sin ϕ = 1dp ρ dn v G 1 dp = 2ρωsin φ dn p 0 p 1 p 2

14 A súrls rlódás s hatása a szélre Az alsóbb rétegekben, r az ún. súrls rlódási rétegben r áramló levegőrészecsk szecskékre kre súrlódási erő hat, ami a földfelszf ldfelszín n egyenetlenségeib geiből l adódik. dik. Ezért fölfelé haladva ez az erő csökken, és s a szabad légkörben közel k nullává válik. A súrls rlódási erő a légrl grészecske sebességének irány nyával ellentétesen tesen hat (fékezi azt), nagysága ga pedig arányos a részecske r sebességének nagyságával: r r F=-kv s

15 A k-t t súrls rlódási együtthat tthatónak nevezzük. Értéke a felszín érdességétől l függ, f szárazf razföldek felett általában háromszor h akkora, mint a tengerek felszíne fölött. f A súrls rlódási erő fellépte csökkenti a szélsebess lsebessé- get, így a Corioris-er erő vízszintes összetevőjének nagyságát t is. Ebből l következik, k hogy súrlódá- sos áramlásnál l nem alakulhat ki a geosztrófikus szelet meghatároz rozó F r c2 = - F r g egyensúly. Ehelyett - mivel a megfigyelések szerint a szél közelítőleg leg ekkor is egyenes vonalú egyenletes mozgás - a három h erő egyensúly lyának kell fennállni,, azaz:

16 r r r F g +F c2 +F s =0 F g F c2 Eredő erő v α F s p 0 Fs tg α = = F c2 p 1 k 2ωsin φ p 2

17 A légnyoml gnyomási mező térképes ábrázolása A légnyoml gnyomás s térbeli t eloszlásának ismerete tehát alapvető a meteorológi giában, mivel ez határozza meg a bárikus gradienst, ezen keresztül l közvetve k a szél irány nyát és s sebességét, végsv gső soron tehát t a légtl gtömegek áthelyeződését, t, ami az időjárás s megváltoz ltozásának legmarkánsabb kivált ltója. A bárikus mezőt t kétfk tféle módon m ábrázolhatjuk: adott magassági gi szintre vonatkozó légnyomás eloszlását t megadó izobárt rtérképpel, adott nyomásfel sfelület let abszolút t vagy relatív magasságát t feltüntet ntető ún. nyomástopogr stopográfiai térképekkel.

18 Az izobárt rtérképeken egy nagyobb terület fölött f valamilyen z=konstans magassági gi szintben az izobárokat tüntetik fel. Leggyakrabban a z=0 magaságra gra,, vagyis a tengerszintre vonatkozó izobárt rtérképeket szokták elkész szíteni. p=5 mb Magas (M) és alacsony (A) nyomású területek. A geosztrófikus szél sebessége: 5.38 p v G = sin φ n

19

20 A nyomástopogr stopográfiai térkt rképek egyik fajtája ja az abszolút topográfiai térkt rkép. Ez valamely p=konstans izobárfel rfelületnekletnek a tengerszinttől l mért m magasságát ábrázolja. A földfelszf ldfelszín n különbk nböző pontjaiban tehát "megmérik" a kiválasztott izobárfel rfelületlet magasságát, ezeket az értékeket rávezetik r a felszínt ábrázoló térképűrlapra. rlapra. Ezután n az egyforma értékű helyeket folytonos vonallal összekötik. Ezeket a vonalakat izohipszáknak nevezzük, mert - éppen úgy, mint a domborzati térkt rkép p szintvonalai - azokat a helyeket kötik k össze, amelyek fölött f az izobárfel rfelületlet ugyanolyan magasan van. Általában a 850, 700, 500, 300, 200, 100, 50 és s 25 mbar- os nyomásfe sfe-lületekletek tengerszint feletti magasságát bemutató abszolút t topográfiai térkt rképeket szokták előáll llítani. Jelölésük: AT850, AT700, stb. Az izohipszákat 40 méterenkm terenként nt szerkesztik meg, értéküket ket pedig dekaméterekben (tíz z méterekben) m tüntetik t fel, azaz pl. 300 =3000 m.

21 Az abszolút topográfia értelmezése

22 A 700 mbar-os izobárfel rfelületlet abszolút t topográfiai térkt rképe, AT 700. Magas és alacsony nyomású területek Izohipsza gradiens A geosztrófikus szél sebessége: v G 2689 = sin φ n

23 A nyomástopogr stopográfiai térkt rképek másik m fajtája ja az ún. relatív v topográfiai térkt rkép, amely két k megadott izobárfel rfelületlet függőleges menti távolságának z értékeit mutatja. Legyen az 1. izobárfel rfelületlet p 1, a 2. izobárfel rfelületlet p 2 nyomású, akkor RT p 2 /p 1 az ezek távolst volságát ábrázoló térkép p jelölése. A gyakorlati meteorológi giában legtöbbet használt relatív v topográfi fiák k az RT 500/1000 (a troposzféra ra alsó fele), RT 300/500 (a troposzféra ra felső fele), illetve az RT 700/1000 (a troposzféra ra alsó harmada). Az izohipszák távolsága itt is 40 m és értéküket ket most is dekaméterekben tüntetik t fel.

24 A relatív v topográfia értelmezése:

25 Az 500 és s az 1000 mbar-os izobárfel rfelületekletek relatív topográfiai térkt rképe, RT 500/1000. z = 67,345 (log p 1 -logp 2 )T mvirt Fizikai tartalmuk: hőmérsékleti térképek!

26 Hőmérsékleti advekció meghatároz rozása AT és s RT térkt rképek egyesítésével:

27 Szélprofil, szélenergia a bárikus gradiens iránya z 1 α 1 v 1 z 2 α 2 z 3 v α 2 3 v Az Ekman- spirális lis: az α-k és s a sebességek elméletileg letileg levezetett képlettel meghatározhat rozhatók. 3 v G az izobárok iránya

28 Empírikus szélprofil törvt rvények A Sutton-féle logaritmikus összefüggés: v h = v1lg(1+ 360h) / lg 361 A Hellman-féle le gyökkitev kkitevös összefüggés: v = v h 1 Mindkét összefüggésben a v h a h, v 1 pedig az 1 m magasan mért m szélsebess lsebesség. A A meteorológiai gyakorlatban abban az esetben, ha a szélsebess lsebességmérőt t az előírt 10 m-nél m l magasabbra vagy alacsonyabbra (h méterre) m szerelték, akkor a v h = v 10( lg(h )) összefüggés s alapján n végzik v el a magassági gi korrekciót, azaz v h ból a v 10 meghatároz rozását. 5 h

29 A SZÉL L MÉRÉSEM

30 Műszer nélkn lkül: l: Szélir lirányt becsléssel. ssel. Szélsebess lsebesség g esetén n tapasztalati skála a Beaufort-féle eredetileg 12 fokozatú,, majd 17 fokozatra bővített b skála Műszerrel: Athén Szelek tornya; Mexikó maya széltorony 1500 Leonardo da Vinci; ; 1667 Hooke nyomólapos szélm lmérő XVIII. sz.: Leupold szélsebess lsebességmérő, szélir lirány-regisztráló 1846: Robinson kanalas szélsebess lsebességmérő

31 Észak, É Északnyugat, ÉNy 330 N Északkelet, ÉK NW NNW NNE NE Nyugat, Ny W WNW WSW ENE ESE E Kelet, K SW SSW SSE SE Délnyugat, DNy S Dél, D Délkelet, DK

32 Beaufort szélerősség skála 0-6 Beaufort kategória Szélsebesség kt km/h mph m/s Átlagos szélsebesség (kt / km/h / mph) Leírás Tengeri viszonyok / 0 / 0 Szélcsend 0 Sima tenger / 4 / / 9 / Hullámmagasság Gyenge légmozgás Könnyű szellő m / 17 / 11 Szelíd szél / 24 / Mérséklet szél 19 / 35 / 22 Élénk szél 2 24 / 44 / 27 Erős szél 3 1 Fodrozódik hab nélkül. Kis hullámok. A tarajok üvegesek, de nem buknak át. Nagy hullámok. A hullámtarajok kezdenek átbukni, elszórtan fehér a teteje. A hullámok alacsonyak, de egyre hosszabbak. Mérsékleten (1.2m) hosszú hullámok Néhány taraja habzik és tajtékzik. Nagy hullámok átbukó tarajjal, amelyek néha tajtékzanak. Szárazföldi viszonyok Szélcsend. A füst függőlegesen felszáll. A szélmozgás látható a füstön A szél érezhető a bőrön, a levelek suhognak Levelek és kisebb gallyak állandóan mozognak A füst és lebegő papír emelkedik. A kisebb ágak mozogni kezdenek. Kisebb fák billegnek Nagyobb ágak mozognak Drótok felett fütyül a szél. Nehéz használni az esernyőt.

33 Beaufort szélerősség skála 6-12 Beaufort kategória Szélsebesség kt km/h mph m/s Átlagos szélsebesség (kt / km/h / mph) Leírás Hullámmagasság m Tengeri viszonyok Szárazföldi viszonyok / 56 / 35 Nagyon erős szél 37 / 68 / 42 Szélvihar / 81 / >63 >117 >72 >32.7 N/A Erős szélvihar 52 / 96 / 60 Vihar 9 60 / 111 / 69 Heves vihar 11.5 Orkán, hurrikán Viharos tenger. A tajtékzó hab csíkokba rendeződik Mérsékleten magas, hosszú tarajú hullámhegyek, a tajtékzó hab egyértelműen csíkokba rendeződik Magas hullámok (2.75 m) sűrűn tajtékkal. A hullámok teteje átfordulnak. A víz jelentősen szóródik és habzik. Nagyon magas hullámok. A tengerfelszín fehér és állandóan hánykolódik. A látótávolság csökken. Szokatlanul magas hullámok Óriási hullámok. A levegő tele van tajtékzó vízzel és habbal. A tenger teljesen fehér. A látótávolság jelentősen Az egész fa mozog. Erőfeszítés kell a széllel szemben haladni Gallyak törnek le a fáról. Autók irányt változtatnak az úton Enyhe veszély az épületekre A fák gyökerestől kifordulnak. Jelentékeny veszély az építményekre. Minden építményre veszélyt jelent. Súlyos veszély minden építményre

34 Szélir lirány, szélnyom lnyomás Wild-féle le nyomólapos szélz lzászló - Szélfog lfogó: : két, k egymáshoz hajló fémlemez - nyomólap: cm fémlemez - a széler lerősség Beaufort-fokban fokban olvasható le.

35 Szélsebess lsebesség Módszer: egységnyi gnyi felületre letre ható szélnyom lnyomás, egységnyi gnyi idő alatt megtett út t mérése. m Forgókerekes: Fordulatszámot mér. m Forgókanalas szélsebess lsebességmérő Kézi kanalas,, lapl apátkerekes Aerodinamikus: Nyomásm smérésre sre vezeti vissza a szélsebess lsebességmérést. Fuess-féle univerzális szélíró Elektomos: : A szél l hűtőh hatását t használja ki Albrecht-féle le hődrótos anemométer Szónikus nikus: : Hangimpulzusok alapján.

36 Forgókanalas szélm lmérők Kézi kanalas szélm lmérő Érzékelője: 3 domború félgömb A körülfordulk lfordulások időegys egységre gre vonatkoztatott számából l megadható a szélsebess lsebesség Írókészülékhez kapcsolható Lapátkerekes szélsebess lsebességmérő

37 Aerodinamikus szélsebess lsebességmérők Fuess-féle univerzális szélm lmérő statikus és s dinamikus nyomás s közötti k különbségre épít Érzékelője: búvárharangb Széllökések sebességét, szélir lirányt, átlagsebességetget regisztrál

38 Elektromos: A szél l hűtőh hatását t használja ki,, pl. Albrecht-féle le hődrótos anemométer Szónikus nikus: Akusztikus szélsebességmérő. Hangimpulzusokat bocsát t ki. Szélir liránytól és s szélsebess lsebességtől függően időbeli eltérések tapasztalhatók k az érzékelőben.

39 Automata meteorológiai mérőállomm llomások

40 Az automatizálás s okai: Törekvés s a: minőségre (hosszú távon megbízhat zható műszerek) pontosságra (minél l kisebb hibaszázal zalék), nagyobb sűrűségűs mérésekre, gazdaságoss gosságra. gra. Folyamatos technológiai fejlődés rendelkezésre állás Szélenergetikai mérések!! m

41 Felépítésük Oszlopra szerelt érzékelőkből és adatgyűjt jtőből állnak, Ez számítógéppel áll kapcsolatban (az állomástól l távol t is elhelyezkedhet), Az egyes állomások szintén összeköttetésben állnak egymással, Az adatok azonnal http-szerverre is kerülhetnek.

42

43

44

45

46 Automata szélm lmérés: o A szélz lzászló házában elhelyezett infravörös s optikai érzékelő Gray-kó- dolású tárcsával határozza meg az aktuális irányt. o Az anemométer házában infravörös opto-szaggat szaggató (chopper)) a szélsebes lsebességgel arányos frekvenciájú jelet ad le.

47 Mérőtornyok: Magyarországon gon Pakson 2, 10, 50 és s 120 m-n m mérőerkélyeken mérik m a különbk nböző paramétereket, nehézkes a megközel zelítés, max m-ig m lehet így mérni. m

48 Ballonszonda: olyan meteorográf,, amely szabad léggl ggömbre kötve, k a talajtól l a léggl ggömb pukkanásáig megméri és regisztrálja a felsőbb légrl grétegek állapotjelzőit. Pilot-léggömbös mérések (műszer nélkn lküli, li, szabad léggömb, amit az uralkodó szél l vizuális megfigyelésé-re használtak) nehézkess zkessé vált, így áttértek a Rádió-szélmérésekre (lokátoros követk vetés)

49 SODAR (SOnic Detection And Ranging

50 Amit nem tudunk mérni: m A SZÉL L ENERGIÁJA. Az áramló levegő kinetikus energiája: ρ álland llandó vt A v

51 A SZÉLENERGIA HASZNOSÍTÁS ESZKÖZEI: ZEI: Történelmi dokukentumok alapján Babilóni niában Hammurabi szervezett öntözést szélmalmok segíts tségével Első ismert berendezések i.e Perzsából, Kínából K l származnak vertikális tengelyűek ek voltak

52 A szélenergia hasznosítás s eszközei: zei:

53 A szélenergia hasznosítás s eszközei: zei: Első horizontális tengelyű szélmalmot i.e. 300 Egyiptomban építettek és használtak Keresztesek hozták Európába XIV. sz-ban a Hollandok fejlesztették k tovább 4 vitorla NYSETAConference.pdf

54 A szélenergia hasznosítás s eszközei zei XVIII. századra zadra angol és holland feltalálók k oldották meg a szélir lirányba fordítást Amerikai bevándorl ndorlók k a Nagy Síkságon alkalmazták vízhúzásra első tömegesen gyártott típustt

55 A szélenergia hasznosítás s eszközei: zei: Charles F. Brush ( ) Első automatikusan működő elektromos áramot termelő szélgener lgenerátor (Ø17m(, 144 rotorlapát) Cleveland, Ohio General Electric Co.

56 A szélenergia hasznosítás s eszközei zei Poul la Cour Cour ( ) 1908) Elektromos áramot termelő tesztturbina Askov,, DániaD :// J. Juul, 1956 Gedser turbina 200 kw

57 Történeti áttekintés: Magyarországon gon van kihasználhat lható szélenergia A(kiskun)dorozsmai szélmalom (Bölcs u. Szélmalom u.).

58 Magyarországon gon a török k hódoltsh doltság után n jelentek meg nagyobb számban a szélmalmok, bár b helyenként nt már m r a 15. században zadban is előfordultak. Elterjedésük azonban csak a 17. században zadban vált v általánossá,, a legtöbb szélmalmot viszont hazánkban és s között k építették Számuk így alakult: 1863-ban 475, 1873-ban 854, 1885-ben 650, 1894-ben ban 691 (Bárány, Vörös V és Wagner, 1970).

59 A 19.sz. végén, v a 20. sz. elején n az ország g szélmalmainak több t mint 95 %-a% a az Alföld ldön n helyezkedett el ( (ábra, Keveiné Bárány I., 1991), ami önmagában is elegendő bizonyíték k arra, hogy hazánknak ezen a táján t n is van elegendő hasznosíthat tható szélenergia. A térkt rkép p egyértelm rtelműen en mutatja azt is, hogy a szélmalmok többst bbsége a Dél-Alföldön találhat lható,, ami arra utal, hogy a szélviszonyok ezen a tájon t leginkább itt feleltek meg a nem túl t l magasan elhelyezett, kb. 20 kw teljesítm tményű szélmalmok működési feltételeinek. teleinek. Az egykori szélmalmok helyei tehát t a vizsgálatok szerint (Keveiné Bárány I., 2000) pontosan kijelölik lik azokat a térségeket, ahol minden valósz színűség g szerint gazdaságos gos szélenergia kitermelés s lehetséges.

60

61

62

63 MAGYARORSZÁG G SZÉLKL LKLÍMÁJA: Területi különbsk nbségek: Az uralkodó szélirányok és az átlagos szélsebesség területi eloszlása Magyarországon a téli félévben (Kakas nyomán Dobosi és Felméry, 1971)

64 Az uralkodó szélirányok és az átlagos szélsebesség területi eloszlása Magyarországon a nyári félévben (Kakas nyomán Dobosi és Felméry, 1971)

65

66

67 Az uralkodó szélir lirányok Magyarországon gon Wantuchné Dobi I. et al., 2005

68 A szélerősség évi középértékeinek területi eloszlása (B, 30 évi átlag, Bacsó nyomán Dobosi és Felméry, 1971)

69 Az évi átlagos szélsebess lsebesség (Bartholy Radics Bohoczky, 2003)

70 MAGYARORSZÁG G SZÉLKL LKLÍMÁJA: Időbeli változv ltozás: a szélsebess lsebesség g (köbök) k) átlagos napi menete m 3 /s Szeged, május: A 2 /E=0,0 (min.) m 3 /s Pécs, július: A 2 /E=0,3 (min.) megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés óra megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés óra 0 m 3 /s Kékestető, június: A 2 /E=0,2 (min.) megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés óra Egyszerű napi menet (24 órás periódus): egy nappali/éjszakai maximum, egy éjszakai/nappali minimum. 24

71 MAGYARORSZÁG G SZÉLKL LKLÍMÁJA: Időbeli változv ltozás: a szélsebess lsebesség g (köbök) k) átlagos napi menete m 3 /s Szeged, január: A 2 /E=3,2 (max.) m 3 /s Pécs, február: A 2 /E=3,3 (max.) m 3 /s megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés Kékestető, január, A 2 /E=3,2 (max.) megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés óra óra megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés Összetett napi menet (12 órás periódus): két nappali minimum/maximum egy nappali és egy éjszakai maximum/minimum. óra

72 MAGYAR- ORSZÁG MÁJA: Időbeli változv ltozás: SZÉLKL LKLÍ- A relatív szélteljes lteljesítmény éves menete (éghajlatválto- zás?) % % % Szombathely hónap I. II. III. IV. V. V I. V II. V III. IX. X. X I. X II. Budapest hónap I. II. III. IV. V. V I. V II. V III. IX. X. X I. X II. D ebrecen hónap I. II. III. IV. V. V I. V II. V III. IX. X. X I. X II.

73 MAGYARORSZÁG G SZÉLKL LKLÍMÁJA: Relatív v mennyiségek: szélir lirányok relatív v energiatartalma % N NNE NE A szélirányok relatív energiatartalma ( ) ENE E ESE SE Szombathely Budapest Debrecen SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW

74 MAGYARORSZÁG G SZÉLKL LKLÍMÁJA: Relatív v mennyiségek: szélir lirányok relatív v gyakorisága ga % A szélirányok relatív gyakorisága ( ) Szombathely 16 Budapest 14 Debrecen N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW

75 Egy jellemző és s egy nem jellemző szélir lirány energiatartalmának nak aránya (CD( e /ND e ) Megf. állomás CD e /ND e Tél Tavasz Nyár Ősz Év Szombathely Budapest Debrecen átlag

76 Az energetikai uralkodó szélir lirányok (PD) és s relatív energiatartalmuk (PD( ). e Időszak Szombathely Budapest Debrecen PD PD e PD PD e PD PD e 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

77 MENNYI VAN? Meteorológiai adatbázison alapuló becslési si módszerek hazánk potenciális szélenergi lenergiájára. ra. Közelítő/spekulatív v becslések sek Statisztikai becslések sek a meteorológiai állomások széladataib ladataiból Éghajlati célúc feldolgozások alapján Energetikai célúc feldolgozások alapján - Relatív v mennyiségek: a szélir lirányok relatív energiatartalma - Relatív v mennyiségek: A napi átlagos fajlagos szélteljes lteljesítmény becslése se csúsz szó átlagolással - A szélsebess lsebesség g magasságt gtól l való függésének becslése se - Numerikus becslés: s: A napi átlagos fajlagos szélteljes lteljesítmény becslése se közelk zelítő függvénnyel Modell-becsl becsléseksek Energetikai szélm lmérések

78 Meteorológiai szél l adatbázis: Előny: hosszú idejű,, akár r 10 perces mérések, m az országot egyenletesen lefedő állomások Hátrány: általában 10 m magasság

79 Közelítő becslések: sek: Vajda (1999): A légmozgl gmozgásokban megtestesülő mozgási energia a légkl gkör (~troposzféra) ra) teljes energiájának nak csupán n kis része, r hatalmas teljesítm tményt, 1.5 PW-ot képvisel. Gyakorlati kiaknázásra azonban természetesen csak az alsó m-es m es réteg r jöhet j számításba, sba, vagyis mindössze 1 %, azaz 15 TW.. Ennek 20 %-a,% 3 TW jut a szárazf razföldekre. A gondolatot tovább folytatva ebből l az következik, hogy hazánk terület letére ami az összes szárazf razföld (149 millió km 2 ) terület letének kb. 0.6 ezreléke GW szélteljes lteljesítmény esik.

80 Közelítő becslések: sek: Koppány (1989) a budapesti magaslégk gköri megfigyelések alapján n ) 1953) meghatározott átlagos szélsebess lsebesség és s a normál l légkl gkör r sűrűségének s magasság g szerinti változv ltozásaiból arra következtetett, k hogy egy 500 m magas dombtetőn n több t mint 11-szer nagyobb fajlagos szélteljes lteljesítmény nyerhető,, mint a síkss kságon, még m g akkor is, ha a domborzatnak a szélsebess lsebesség- re gyakorolt hatásától l (a levegőtrajekt trajektóriák összetartása) sa) eltekintünk. nk. Feltevése és s számítása sa szerint Magyarország g 500 m-t m t elérő vagy meghaladó területeire ( (hegygerincek, fennsíkok a Bakonyban, a Mecsekben, a Dunazug-hegys hegységben, gben, a Budai hegyekben, valamint az Északi-középhegységben) ) kb széler lerőművet állíthatnánk nk fel, amelyek együttes energiatermelése 3220 MWh/nap (100 m 2 rotor-fel felülettel lettel és s 30 %-os% hatás- fokkal számolva). Ez összesen 1.18*106 MWh/év, ami az ország g villamos energia fogyasztásának kb. 3 %-a% a az 1986-os adatok alapján. Valósz színű,, hogy ez az arány most is kb. ennyi, mert az energiafogyasztással ssal együtt nőtt n a széler lerőművek teljesítm tménye is.

81 Közelítő becslések: sek: E 0 =323,4 PJ/év=89,8 TWh/év, P 0 =10250 MW=10,25 GW v átl =5,3 m/s ρ=1,23 kg/m m 0, km 2 v átl =3 m/s

82 Közelítő becslések: sek: A sűrűség s és s a szélsebess lsebesség g magassággal ggal való változását t is figyelembe véve: v ve: A légkl gkör r kinetikus energiájának nak 35 %-a% a oszlik szét t az alsó 1 km-es rétegben, r ez 1,26 PJ az egész FöldF ldön. Ennek 1/25-öd d része, r azaz 4 %-a% a jut az alsó 200 m-es m rétegbe: r 0,0504 PJ=50,4 GW Figyelembe véve v ve országunk terület letének és s a Föld teljes felület letének arány nyát t (ld. előbb) éves átlagban a szélteljes lteljesítmény 6,24 GW. Kb. a két k t előbbi becslés átlaga, összemérhetők.

83 A szélsebess lsebesség g magasságt gtól l való függése: TENGER PART VÁROS

84 A szélsebess lsebesség g magasságt gtól l való függésének becslése se A leggyakrabban használt empirikus szélprofil törvények: WMO: v h =v 10 [ lg(h+4.75)] =v 10 (nincs paramétere!) Hellmann-féle le gyökkitev kkitevős: (a a meteorológiai állomásokon h 1 =10 m) α: : a felszín n tagoltságának és s a légkl gkör r egyensúlyi helyzetének függvf ggvénye napi és évi menete van! v 2 = v 1 h h 2 1 α

85 A havi átlagos szélsebess lsebesség és s a hónap h egy napjára átlagosan eső fajlagos szélteljes lteljesítmény évi menete hazánk szélenergi lenergiában legszegényebb és s leggazdagabb pontján n különbk nböző magasságokban gokban a WMO által ajánlott nlott összefüggés s szerint

86 Mit ajánl a szakirodalom az α-ra? Aujeszky (1949) szerint az α=0.2 értékkel igen jój közelítést érhetünk el 250 m-ig. m Ezzel az alakjával dolgozott Ledács cs-kiss (1977, 1983), Tóth et al. (2001), Patay (2001a, 2001b, 2003). A meteorológiai tornyok és s az energetikai szélm lmérések adatai alapján n azonban α értékét t a felszíni súrls rlódásnak megfelelően en pontosítani tani lehetett. Kajor (2002a, 2002b) szerint értéke 0.14 (sima tenger felett) és 0.34 (érdes szárazf razföldi terület) között k változik. v Radics (2004) szerint a kitevő értékei 0.14 sík k vidéken és s vízfelszv zfelszín felett, 0.2 érdes, dombos felszín n esetén, 0.28 települések felett. Legrészletesebb adatokat a kitevőre Sembery és s TóthT (2004) munkájában találunk: lunk: sík s k mező 0.12; ; nyílt terep 0.16; ; erdős s síkss kság 0.25; ; város v alacsony épületekkel 0.35; ; város v magas házakkal h Ugyanakkor Péczely (1979) szerint az a kitevő a felszíni érdesség mellett függ f a szélsebess lsebességtől l (növekv vekvő szélsebess lsebességgel értéke csökken) és a levegő hőmérsékleti rétegzr tegződésétől is. Szerinte, pl. füves f felszín n fölött f átlagos szélsebess lsebességnél 0.3-nak vehető.

87 Mérőtornyok: Magyarországon gon Pakson 2, 10, 50 és s 120 m-n m mérőerkélyeken mérik m a különbk nböző paramétereket, nehézkes a megközel zelítés, max m-ig m lehet így mérni. m

88 Az α kitevő évi átlagai és szórásai a különböző szintek között különböző módszerekkel meghatározva a paksi toronymérések alapján. 1. a napi átlagsebességekből 2. az óránkénti kitevők napi átlagából 3. irányok szerint átlag szórás átlag szórás

89 Az α kitevő átlagos napi menete α A kitevő napi menete, Paks, 120m, 20 m-ből számolva (óraátlagok) mérési időpontok 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

90 A kitev ő irány szerinti változása (Paks, 2000) N NNW NW NNE NE 0.40 WNW ENE W E a20-50 a a Az α kitevő WSW SW SE ESE egyes SSW S SSE szélir lirányok- A kitev ő irány szerinti változása (Paks, 2001) NNW NW N NNE NE hoz tartozó átlagos WNW W WSW ENE E ESE a20-50 a a értékei. SW SE SSW S SSE

91 A potenciális szélenergia az időjárás függvénye! Magyarország g cirkuláci ciós s viszonyait a légnyomási képzk pződményeknek (ciklon, anticiklon) az ország g terület letéhez viszonyított helyzete határozza meg elsősorban. sorban. Ez jellemezhető: a makroszinoptikus helyzetekkel, a frontok elhelyezkedésével.

92 A A: alacsony nyomású képződmény, ciklon M: magas nyomású képződmény, anticiklon. hidegfront

93 A Péczely-félele 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

94 Magyarországi gi fronttípusok: 1. közelítő hidegfront 2. tartózkodó hidegfront 3. közelítő melegfront 4. tartózkodó melegfront 5. közelítő okklúziós front 6. tartózkodó okklúziós front 8. egyidejűleg tartózkodó meleg- és hidegfront 9. egyidejűleg tartózkodó meleg-, hideg- és okklúziós front 7. közelítő meleg- és hidegfront

95 Numerikus becslések: sek: A napi átlagos fajlagos szélteljes lteljesítmény becslése se közelítő függvénnyel a diszkrét t mérési m adatok A folytonossá tételéhez fajlagos szélteljes lteljesítmény az egységnyi gnyi függf ggőleges felületen leten egységnyi gnyi idő alatt átáramló levegő tömegének mozgási energiája. Kiszámítása sa egy adott időpontban a P f = ρ 2 v összefüggés s alapján n törtt rténik, ahol v a szélsebess lsebesség, ρ a levegő sűrűsége, mértékegysége ge pedig Wm - 2. A meteorológiai állomásokon (által( ltalában 10 m-en) m mért m szélsebess lsebesség g adatok alapján n tehát t megpróbálkozhatunk a fajlagos szélteljes lteljesítménynek adott időszakra vonatkozó becslésével is. Egy adott időszak, pl. egy nap összes potenciális szélenergi lenergiáját t az időszak egyes időpontjaiban mért m szélsebess lsebességekből l lehet meghatározni. Két K t lehetőség g adódik: dik: az összefüggésben az időszak átlagsebességét írjuk a v helyébe, az időszak egyes (diszkrét) időpontjaiban meghatározott értékeket összegezzük. 3

96 Az eredmény mindenképpen függ f a mérési m időpontok számától! A függf ggőség g kiküsz szöbölésére létezik l elvi megoldás, ha az időszak egy napjára átlagosan jutó fajlagos szélteljes lteljesítményt a következk vetkezőképpen definiáljuk: a szélsebess lsebesség g köbök k óránkénti nti átlagának napi menetét t közelk zelítő függvény görbe g alatti területe (határozott integrálja) szorozva a levegő sűrűségének felével.

97 Legyen közelk zelítő függvény a következk vetkező: f 2 ( x ) = a + 0 m 2 = 1 ( a m cos 2 π mx N vagyis egy trigonometrikus polinomokból álló Fourier-sor első két t eleme, ahol tehát t N=24, x=1, 2,,, N ( (Dobosi-Felméry,, 1971). A fenti függvf ggvény primitív v függvf ggvénye a következk vetkező: 2 a b F (x) = a x + ( m sin x m 2 0 α m cos α m x) α m m α = 1 m α m 2πm = N Ha tehát t az a m és b m együtthat tthatók k meghatároz rozásához a szélsebess lsebesség g köbök k óránkénti nti átlagának idősor sorát t (napi menetét) t) használjuk, akkor az időszak egy napjára átlagosan jutó fajlagos szélteljes lteljesítmény: ρ P naf = [F2 ( 24) F2 ( 1)] 2 + b m sin 2 π mx N )

98 Példa a szélsebess lsebesség g köbök k óránkénti nti átlagának az f 2 (x) függvf ggvénnyel való közelítésére: m 3 /s 3 Nagykanizsa, tavasz ( ) megfigyelt közelített óra

99 A napi átlagos fajlagos szélteljes lteljesítménynek a közelk zelítő függvény görbe g alatti terület letével becsült értékei (Wm -2, vastag: : a legnagyobb, dőlt: : a legkisebb évszakos érték k ) év tél tavasz nyár ősz év tél tavasz nyár ősz Kisvárda Debrecen Békéscsaba Szeged Kecskemét Baja Budapest Győr Kékestető Miskolc Szombathely Pápa Keszthely Siófok Nagykanizsa Pécs

100 A második m időszak ( ) 95) napi átlagos fajlagos szélteljes lteljesítménye az első időszak ( ) napi átlagos fajlagos szélteljes lteljesítményének nek százal zalékában (vastag dőltd lt: : növekedn vekedés, dőlt: : a legkevesebb csökken kkenés, vastag: a legnagyobb csökken kkenés). év tél tavasz nyár ősz Debrecen Békéscsaba Szeged Budapest Győr Kékestető Szombathely Keszthely Pécs átlag Miskolc

101 Modell-becsl becslések: sek: Hazánkban esőként a szélmez lmező dinamikus modellezésére a WAsP (Wind Atlas Analysis and Application Program) ) modellt használt lták a kutatók (Radics,, 2001; Bartholy és s Radics,, 2000a, b; 2001; Radics és s Bartholy,, 2001, OMSz). Ez a széladatok horizontális és s vertikális extrapoláci ciójára szolgáló lineáris, spektrális modell, amelyet DániD niában fejlesztettek ki. A WAsP alkalmas a domborzati és érdességi adatok alapján n egy terület szélkl lklímájának becslésére, az átlagos szél l teljes energiájának nak számítására és s a széler lerőmű közepes teljesítm tmény outputjának meghatároz rozására. ra.

102 A WAsP modell szerkezete Az észlelőhely leírása A szélirány és szélsebesség idősora Árnyékolási almodell Orográfiai almodell Érdesség-változási almodell Az akadályok korrekciója Orografikus korrekció Érdességi korrekció Effektív érdesség Szélsebességek szélirány szerinti hisztogramja Korrigált hisztogram Upward transzformáció: geosztrófikus szél hisztogramja Downward transzformáció: hisztogram 10 m-en Weibull paraméterek A széltérkép statisztikák adatbázisa Stabilitási korrekció Weibull paraméterek adott magasságban

103 Az átlagos szélsebess lsebesség és s a potenciális szélteljes lteljesítmény becslése se a WAsP modellel 18 m-en m (Hegyháts tsál).

104 A rendelkezésre álló szélteljes lteljesítmény-mező horizontális szerkezete Hegyháts tsál l 40x40 km-es körzetében különbk nböző magasságokban gokban (Radics, 2004).

105 Fajlagos szélteljesítmény (Radics, 2004)

106 Példa a WAsP-modellel és interpolási siós technikával létrehozott l kompozit szélt ltérképre: az évi átlagos szélsebess lsebesség g (m/s) 50 m-en. m Az évi átlagos szélsebesség (m/s) 50 m-en.

107 Példa a WAsP-modellel és interpolási siós technikával létrehozott kompozit szélt ltérképre ( (Radics,, 2004)

108 További modellek: Statisztika klimatológiai modell: térbeli t interpoláci ció a meteorológiai állomások homogenizált adatsorából. Dinamikus modell: leskálázáson son alapuló numerikus eljárás.

109 Energetikai szélm lmérések Energetikai szélm lmérés: 10 m és s legalább 30 m magasan, sűrűs mintavétel, tel, 10 perces átlagértékek rögzr gzítése A szélenergia-kutatás szempontjából javasolt mérőhelyek és a meteorológiai állomáshálózat az ötvenes években (Kakas és Mezősi, 1956)

110 Energetikai szélm lmérés

111 Az energetikai szélm lmérés s gondolata tehát t megszületett, azonban a részleges megvalósul sulására hosszú ideig kellett várni. v 1991-ben az MVM és s az OVIT támogatt mogatásával beindult egy 1 éves program, amelynek legfontosabb eleme az, hogy az országban 10 távvezett vvezeték oszlopra (26 és s 50 m magasság g között) k szélsebess lsebesség g mérőket m szereltek fel, amelyek 1 éven át t működtek. m

112 E mérések m és s néhány n ny más m s meteorológiai állomás s szélsebess lsebesség g adatainak felhasználásával készk szült Magyarország g első energetikai szélt ltérképe,, ( (Blahó és Marshall, 1993). A térkt rkép p azt sugallja, hogy igazából l csak a Dunánt ntúl nyugati, észak-nyugati részr szén n van kihasználhat lható szélenergia.

113 Az energetikai szélm lmérés s mai lehetőségei: 1. Magyarország g automata meteorológiai 1. állomáshálózata 2. Meteorológiai mérőtornyokm 3. Pilot és s rádir diószondás s mérésekm 4. Expedíci ciós s mérések m a kiválasztott 4. területen 5. SODAR, windprofiler.

114 Szélt ltérképek: egy adott időszak átlagos szélsebess lsebességét vagy az adott időszakra eső átlagos fajlagos szélteljes lteljesítményt ábrázolják k különbk nböző magasságokban gokban (ENERGETIKAI) SZÉLM LMÉRÉS MODELL (WAsP( WAsP,, statisztikai, dinamikus) INTERPOLÁCI CIÓS S TECHNIKÁK SZÉLT LTÉRKÉP

115 A havonkénti nti átlagos szélsebesség g 10 m-en: statisztikai széltérkép.

116 Statisztikai meteorológiai szélt ltérkép 10 méteren: m éves átlagsebesség: g: Az ország területének 72%-án 3-4 m/s az éves átlagos szélsebesség.

117 Klímav mavédelem: Minden kilowattóra elektromos áram, amelyet széler lerőmű-vel állítunk elő kg-mal csökkenti a CO 2 emissziót. t. (Gipe,, 1995)