Pomimo że takie urządzenia są dostosowane do miejskich warunków, osiągnięcie zadowalającego uzysku energii w Krakowie mogłoby wydawać się wyzwaniem. Według map IMGW miasto to znajduje się w czwartej, mało korzystnej strefie warunków wiatru. Odpowiedni wybór lokalizacji wymaga uwzględnienia kilku czynników, które mogą znacząco zwiększyć prędkość wiatru. Studenci AGH przeprowadzili pomiary, których efektem jest mapa warunków wiatrowych na kampusie.

Co sprawia, że wiatr przyspiesza?

Miasta, ze względu na liczne zabudowania oraz obecność drzew i krzewów, charakteryzują się dużą szorstkością terenu, co przekłada się na turbulencje powietrza. Jednak zarazem to właśnie budynki sprawiają, że przy właściwym wyborze lokalizacji małej turbiny wiatrowej uzysk energii z niej może być wzmocniony przez korzystne oddziaływania. Jednym z nich jest efekt Bernoulliego – zjawisko polegające na zwiększaniu prędkości wiatru dzięki przechodzeniu mas powietrza poprzez zwężenie przekroju (przestrzeń pomiędzy dwoma równoległymi budynkami, tunel czy inną zwężkę, która działa podobnie jak dyfuzor) akademików oraz tunele (np. pod łącznikami), w większości zorientowane kierunku W – E.

Fot. Helena Trofimchuk

Tego typu elementy zabudowy sprzyjają przyspieszaniu przechodzących przez nie mas powietrza, co przekłada się na miejscowo większą prędkość wiatru.

Na terenie kampusu AGH znajdują się liczne tego typu zwężenia w postaci przestrzeni pomiędzy równoległymi względem siebie budynkami wydziałów lub akademików. Dzieje się tak właśnie dzięki efektowi Bernoulliego, który może mieć znaczący wpływ na uzysk energii elektrycznej z niewielkich turbin wiatrowych na obszarach zurbanizowanych. Inne zjawisko mające pozytywny wpływ na prędkość wiatru to zjawisko spiętrzenia linii wiatru na przeszkodzie (np. budynek). Na wietrzność na obszarach miejskich wpływ mają również lokalne różnice ciśnienia powietrza, związane z rzucaniem cienia przez budynki.

Wynika to z kontrastu temperatury pomiędzy obszarami zacienionymi a nasłonecznionymi, wskutek czego powstają lokalne układy wyżu i niżu. W połączeniu z efektem Bernoulliego czynniki te mogą znacząco oddziaływać na prędkość wiatru na obszarach miejskich, co można wykorzystać przy wyborze miejsc lokalizacji małych turbin wiatrowych celem maksymalizacji uzysku energii i zmniejszenia oddziaływania negatywnych wpływów (wyciszenie, turbulencje powietrza).

Gdzie najmocniej wieje na kampusie? Studenci stworzyli mapki średnich prędkości wiatru

Fot. Helena Trofimchuk

Rozpoznanie rozkładu przestrzennego średnich prędkości wiatru na terenie Miasteczka Studenckiego AGH pozwoliło stwierdzić, które miejsce byłoby najbardziej dogodne do zainstalowania małej turbiny wiatrowej – piątej już na terenie uczelni – oraz zweryfikować, czy instalowanie małych takich urządzeń (100 W – 1,5 KW) na terenach zurbanizowanych ma ekonomiczne uzasadnienie. W ramach projektu wykonano pomiary prędkości wiatru w czasie 9 wybranych dni w przedziale czasowym 06.04.2018 – 27.09.2018, różniących się warunkami atmosferycznymi.

Badania były realizowane na terenie od al. Mickiewicza do ul. Piastowskiej, przy w siatce kwadratowej 10 × 10 m, za pomocą anemometrów umieszczonych na tyczkach na wysokościach 1,26 m i 1,98 m. Teza została potwierdzona: na Miasteczku wpływ efektu Bernoulliego i innych wyżej wymienionych czynników jest na tyle znaczący, że warto go uwzględnić przy wyborze miejsca na zainstalowanie nowego wiatraka.

Jak bardzo wiatr przyspiesza w tunelach?

Pomiary wykazały, że nawet przy warunkach bardzo niskich prędkości wiatru na obszarach tła (np. 0,4 – 1,1 m/s) prędkość wiatru w tunelu jest znacznie większa (np. 2,9 – 4,7 m/s). Średnio, prędkość wiatru w tunelu będącym zwężką Bernoulliego zwiększa się 3 – 4 – krotnie w stosunku do wartości tła, co jest obserwowalne nawet przy minimalnych prędkościach wiatru (np. 0,1 m/s), natomiast maksymalne zwiększenie prędkości wiatru uzyskane podczas pomiarów było 7 – krotne (wartość tła 1,1 m/s; prędkość wiatru w tunelu: 7,3 m/s). W przypadku dwóch tuneli położonych w jednej linii niejednokrotnie obserwowane było wzmocnienie oddziaływania zwężki na prędkość wiatru.

Fot. Helena Trofimchuk

W ramach grantu zakupiono również turbinę wiatrową HAVT (model EW 300) o mocy 300 W wraz z kontrolerem ładowania, masztem o wys. 6 m, z odciągami i akumulatorem. Turbina zmontowana z akumulatorem w układzie off – grid użyta została do testów pracy turbiny w tunelach i przewężeniach pomiędzy budynkami. Testy wykazały, że z reguły uzysk energii jest większy w tunelach, a wyjątkiem miejsc, gdzie nakłada się na siebie oddziaływanie dwóch tuneli prostopadłych do siebie. Dzieje się tak ze względu na występujące tam zbyt częste zmiany kierunku wiatru. Powodują one liczne dodatkowe ruchy w osi pionowej poprzez przesuwanie sterem kierunkowym w celu obrócenia turbiny do kierunku wiatru. Wtedy turbina kręci się dookoła – nastawia się, zamiast pracować. W tych specyficznych miejscach nie zaleca się stosowania turbin o osi poziomej – lepiej sprawdzałaby się tam turbina o osi pionowej.

Małe turbiny w mieście – czy to się opłaca?

W wyniku prowadzonych eksperymentów wytypowano 5 przykładowych miejsc, które byłyby potencjalnie korzystne dla zainstalowania turbiny wiatrowej na stałe, z uwagi na występowanie zjawiska efektu Bernoulliego oraz spiętrzenia wiatru na przeszkodzie – dwie przykładowe lokalizacje naziemne (wysokość masztu 6 metrów) oraz trzy na dachach budynków.

Przy wyborze małej turbiny należy szukać modelu o jak najmniejszej prędkości startowej. Lokalizacja ma ogromne znaczenie – znajdujące się na obszarach zabudowanych przewężenia działają jak dyfuzor, pozwalając „wycisnąć” z wiatru większą prędkość. Planując instalowanie mikroturbin wiatrowych, szkoda by było nie uwzględnić tego efektu. Warto pamiętać, że wiatr to bardzo zmienne źródło energii, dlatego małe turbiny wiatrowe dobrze sprawdzają się w instalacjach hybrydowych, aby przy sezonowo zmiennych warunkach pogodowych uzupełniać energię wiatru fotowoltaiką.


Aleksandra Stelmach

Zespół realizujący grant: Aleksandra Stelmach (pomysłodawczyni i koordynatorka), Katarzyna Słowik (kordynatorka), Ilona Wawrzeń, Damian Komorowski, Jagoda Zmarz
z Koła Naukowego Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”

Sponsorzy grantu: Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Towarzystwo Geosynoptyków GEOS, Globenergia,
Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska.

Redakcja GLOBEnergia