DEBRECENI EGYETEM SZÉLENERGIA METEOROLÓGIAI ÉS KLIMATOLÓGIAI ALAPOK METEOROLÓGIAI TANSZÉK

DEBRECENI EGYETEM SZÉLENERGIA METEOROLÓGIAI ÉS KLIMATOLÓGIAI ALAPOK METEOROLÓGIAI TANSZÉK

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.

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.

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

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 ) 0 1013 288.0 15.0 1.225 0.816 1 899 281.5 8.5 1.112 0.899 2 795 275.0 2.0 1.007 0.993 3 701 268.5-4.5 0.909 1.100 4 616 262.0-11.0 0.819 1.221 5 540 255.5-17.5 0.736 1.359 6 472 249.0-24.0 0.660 1.515 7 411 242.5-30.5 0.590 1.695 8 357 236.0-37.0 0.526 1.901 9 308 229.5-43.5 0.467 2.141 10 265 223.0-50.0 0.414 2.416 11 226 216.5-56.6 0.364 2.747 12 194 216.5-56.5 0.312 3.205 14 142 216.5-56.5 0.228 4.386 16 104 216.5-56.5 0.166 6.024 18 76 216.5-56.5 0.122 8.197 20 55 216.5-56.5 0.089 11.236

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.

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

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

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.

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

A Coriolis-er erő (Fc2)) keletkezése (F c2 ω 1 ω O S N ω 2 forgásirány ϕ A horizontsík ω=7.29. 10-5 1/s F c2 ω 2 a. b. W S A ω 1 v N E F c2 = 2ωvsin2 vsinϕ

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

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

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:

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

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.

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

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.

Az abszolút topográfia értelmezése

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

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.

A relatív v topográfia értelmezése:

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!

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

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

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(0.233 + 0.656lg(h + 4.75)) összefüggés s alapján n végzik v el a magassági gi korrekciót, azaz v h ból a v 10 meghatároz rozását. 5 h

A SZÉL L MÉRÉSEM

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

Észak, É Északnyugat, ÉNy 330 N 340 350 360 10 20 30 Északkelet, ÉK 320 40 310 300 290 NW NNW NNE NE 50 60 70 Nyugat, Ny W 280 270 260 WNW WSW ENE ESE 80 90 100 E Kelet, K 250 240 SW SSW SSE SE 120 110 230 130 Délnyugat, DNy 220 210 200 190 180 S Dél, D 170 160 150 140 Délkelet, DK

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 0 0 0-0.2 0 / 0 / 0 Szélcsend 0 Sima tenger. 1 1-3 1-6 1-3 0.3-1.5 2 / 4 / 2 2 4-6 7-11 4-7 1.6-3.3 5 / 9 / 6 3 4 5 6 7-10 11-16 17-21 22-27 Hullámmagasság 12-19 20-29 30-39 40-50 8-12 13-18 19-24 25-31 Gyenge légmozgás Könnyű szellő m 0.1 0.2 3.4-5.4 9 / 17 / 11 Szelíd szél 0.6 5.5-7.9 13 / 24 / 15 8.0-10.7 10.8-13.8 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.

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 7 8 9 10 11 28-33 34-40 41-47 48-55 56-63 51-62 63-75 76-87 88-102 103-117 32-38 39-46 47-54 55-63 64-72 13.9-17.1 17.2-20.7 20.8-24.4 24.5-28.4 28.5-32.6 30 / 56 / 35 Nagyon erős szél 37 / 68 / 42 Szélvihar 5.5 44 / 81 / 50 12 >63 >117 >72 >32.7 N/A Erős szélvihar 52 / 96 / 60 Vihar 9 60 / 111 / 69 Heves vihar 11.5 Orkán, hurrikán 4 7 14+ 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

Szélir lirány, szélnyom lnyomás Wild-féle le nyomólapos szélz lzászló - Szélfog lfogó: : két, k egymáshoz hajló fémlemez - nyomólap: 15 30 cm fémlemez - a széler lerősség Beaufort-fokban fokban olvasható le.

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.

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

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

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.

Automata meteorológiai mérőállomm llomások

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

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.

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.

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.. 600 m-ig m lehet így mérni. m

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)

SODAR (SOnic Detection And Ranging

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

A SZÉLENERGIA HASZNOSÍTÁS ESZKÖZEI: ZEI: Történelmi dokukentumok alapján Babilóni niában Hammurabi szervezett öntözést szélmalmok segíts tségével Első ismert berendezések i.e. 1600 Perzsából, Kínából K l származnak vertikális tengelyűek ek voltak

A szélenergia hasznosítás s eszközei: zei:

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 http://www.nrgsystems.com/upload/photos/45vtc- NYSETAConference.pdf

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

A szélenergia hasznosítás s eszközei: zei: Charles F. Brush (1849-1929) Első automatikusan működő elektromos áramot termelő szélgener lgenerátor (Ø17m(, 144 rotorlapát) Cleveland, Ohio General Electric Co.

A szélenergia hasznosítás s eszközei zei Poul la Cour Cour (1846-1908) 1908) Elektromos áramot termelő tesztturbina Askov,, DániaD http:// ://www.poullacour.dk J. Juul, 1956 Gedser turbina 200 kw

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

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 1866. és s 1885. között k építették Számuk így alakult: 1863-ban 475, 1873-ban 854, 1885-ben 650, 1894-ben 712 1906-ban 691 (Bárány, Vörös V és Wagner, 1970).

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.

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)

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

Az uralkodó szélir lirányok Magyarországon gon 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 szélsebess lsebesség (Bartholy Radics Bohoczky, 2003)

MAGYARORSZÁG G SZÉLKL LKLÍMÁJA: Időbeli változv ltozás: a szélsebess lsebesség g (köbök) k) átlagos napi menete m 3 /s 3 120 Szeged, 1996. május: A 2 /E=0,0 (min.) m 3 /s 3 120 Pécs, 1999. július: A 2 /E=0,3 (min.) 100 100 80 80 60 60 40 20 megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés óra 40 20 megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés óra 0 m 3 /s 3 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 Kékestető, 1998. június: A 2 /E=0,2 (min.) 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 óra 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Egyszerű napi menet (24 órás periódus): egy nappali/éjszakai maximum, egy éjszakai/nappali minimum. 24

MAGYARORSZÁG G SZÉLKL LKLÍMÁJA: Időbeli változv ltozás: a szélsebess lsebesség g (köbök) k) átlagos napi menete m 3 /s 3 250 Szeged, 2000. január: A 2 /E=3,2 (max.) m 3 /s 3 240 220 Pécs, 2000. február: A 2 /E=3,3 (max.) 200 150 200 180 160 140 120 100 50 0 m 3 /s 3 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés Kékestető, 2000. január, A 2 /E=3,2 (max.) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 óra óra 100 80 60 40 20 0 megfigyelt 1. közelítés 2. közelítés 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Összetett napi menet (12 órás periódus): két nappali minimum/maximum egy nappali és egy éjszakai maximum/minimum. óra

MAGYAR- ORSZÁG MÁJA: Időbeli változv ltozás: SZÉLKL LKLÍ- A relatív szélteljes lteljesítmény éves menete (éghajlatválto- zás?) % 16 14 12 10 8 6 4 2 0 % 14 12 10 8 6 4 2 0 % 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Szombathely 1968-72 1991-95 hónap I. II. III. IV. V. V I. V II. V III. IX. X. X I. X II. Budapest 1968-72 1991-95 hónap I. II. III. IV. V. V I. V II. V III. IX. X. X I. X II. D ebrecen 1968-72 1991-95 hónap I. II. III. IV. V. V I. V II. V III. IX. X. X I. X II.

MAGYARORSZÁG G SZÉLKL LKLÍMÁJA: Relatív v mennyiségek: szélir lirányok relatív v energiatartalma 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 % N NNE NE A szélirányok relatív energiatartalma (1991-2000) ENE E ESE SE Szombathely Budapest Debrecen SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW

MAGYARORSZÁG G SZÉLKL LKLÍMÁJA: Relatív v mennyiségek: szélir lirányok relatív v gyakorisága ga % A szélirányok relatív gyakorisága (1991-2000) 20 18 Szombathely 16 Budapest 14 Debrecen 12 10 8 6 4 2 0 N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW

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 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 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

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

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

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 100-200 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 - 1.8 GW szélteljes lteljesítmény esik.

Közelítő becslések: sek: Koppány (1989) a budapesti magaslégk gköri megfigyelések alapján n 1929-1953) 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. 4000 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.

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 3 100 m 0,93. 10 5 km 2 v átl =3 m/s

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.

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

A szélsebess lsebesség g magasságt gtól l való függésének becslése se A leggyakrabban használt empirikus szélprofil törvények: WMO: v h =v 10 [0.233+0.656lg(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

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

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 0.50. 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.

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.. 600 m-ig m lehet így mérni. m

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 20 50 0.43 0.50 0.50 átlag 20 120 0.44 0.47 0.46 2000. 50 120 20 50 0.44 0.10 0.43 0.15 0.43 szórás 20 120 0.09 0.11 50 120 0.12 0.14 20 50 0.41 0.45 0.45 átlag 20 120 0.43 0.45 0.44 2001. 50 120 20 50 0.46 0.10 0.45 0.12 0.45 szórás 20 120 0.09 0.10 50 120 0.12 0.13

0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 Az α kitevő átlagos napi menete α A kitevő napi menete, Paks, 120m, 20 m-ből számolva (óraátlagok) 2000. 2001. 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

A kitev ő irány szerinti változása (Paks, 2000) N NNW NW 0.70 0.60 0.50 NNE NE 0.40 WNW 0.30 0.20 ENE W 0.10 0.00 E a20-50 a20-120 a50-120 Az α kitevő WSW SW SE ESE egyes SSW S SSE szélir lirányok- A kitev ő irány szerinti változása (Paks, 2001) NNW NW 0.70 0.60 0.50 0.40 N NNE NE hoz tartozó átlagos WNW W WSW 0.30 0.20 0.10 0.00 ENE E ESE a20-50 a20-120 a50-120 értékei. SW SE SSW S SSE

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.

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

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

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

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

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.

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 )

Példa a szélsebess lsebesség g köbök k óránkénti nti átlagának az f 2 (x) függvf ggvénnyel való közelítésére: m 3 /s 3 Nagykanizsa, tavasz (1968-72) 110 100 megfigyelt közelített 90 80 70 60 50 40 30 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 óra

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 ). 1968-72 1991-95 év tél tavasz nyár ősz év tél tavasz nyár ősz Kisvárda 680 809 910 471 539 Debrecen 1076 992 1475 857 978 793 883 1163 546 580 Békéscsaba 789 748 1131 591 682 931 993 1364 587 776 Szeged 1475 1829 2090 947 1035 1183 1203 1722 722 1085 Kecskemét 502 532 768 309 400 Baja 454 538 609 353 315 Budapest 1023 933 1309 947 900 517 538 670 407 454 Győr 977 1057 1264 784 800 520 664 677 290 449 Kékestető 2276 2539 2437 1392 2755 1494 2184 1410 791 1607 Miskolc 228 178 359 157 216 765 778 1087 657 537 Szombathely 4739 6328 6101 3338 3180 2254 2408 3243 1802 1481 Pápa 2218 2131 2589 2402 1747 Keszthely 852 1143 984 678 605 285 323 423 209 178 Siófok 1898 1649 1940 2252 1743 Nagykanizsa 598 705 790 467 432 Pécs 1206 1428 1653 944 798 870 1169 1234 518 592

A második m időszak (1991-95) 95) napi átlagos fajlagos szélteljes lteljesítménye az első időszak (1968-72) 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 74 89 79 64 59 Békéscsaba 118 133 121 99 114 Szeged 80 66 82 76 105 Budapest 51 58 51 43 50 Győr 53 63 54 37 56 Kékestető 66 86 58 57 58 Szombathely 48 38 53 54 47 Keszthely 34 28 43 31 29 Pécs 72 82 75 55 74 átlag 66 71 68 57 66 Miskolc 336 437 303 419 248

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.

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

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

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

Fajlagos szélteljesítmény (Radics, 2004)

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.

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

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

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)

Energetikai szélm lmérés

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

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.

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.

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

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

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

Klímav mavédelem: Minden kilowattóra elektromos áram, amelyet széler lerőmű-vel állítunk elő 0.5-1.0 kg-mal csökkenti a CO 2 emissziót. t. (Gipe,, 1995)