legea wibulll

8/12/2019 legea wibulll

1/25

UNIVERSITATEA DIN ORADEASCOALA DOCTORALA

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICA SI TEHNOLOGIAINFORMATIEI

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

ESTIMAREA POTENTIALULUI EOLIAN NZONE CU OROGRAFIE COMPLEXA

Coordonator stiintific prof. univ. dr. ing TEODOR MAGHIAR

DoctorandCostea (Botici) Adriana Monica

2007


2/25

CAPITOLUL I.EVALUAREA CADRULUI DE REGLEMENTARE SI ACTIUNI

NECESARE PRIVIND PRODUCEREA ENERGIEI ELECTRICEDIN SURSE REGENERABILE DE ENERGIE

I.1. Cadrul legislativ cu privire la SRE (Surse Regenerabile de Energie)I.1.1. Legislatia europeanaI.1.2. Legislatia romneascaI.1.3. Legislatie secundara n domeniul SREI.1.4. Competente si responsabilitati. Termene.I.1.5. Actele necesare realizarii unei capacitati de producere a E-SRE

I.2. Stadiul actual privind utilizarea SRE, la nivel european si n Romnia: tehnologii, performante, capacitati instalate, prognoze, bariere.I.2.1. Stadiul actual la nivel mondial privind utilizarea SREI.2.1.1. Energia solara

I.2.1.2. BiomasaI.2.1.3. Energia eolianaI.2.1.4. Energia hidroelectricaI.2.1.5. BiogazulI.2.1.6. Energia mareelor, valurilor si a gradientilor termici ai oceanelorI.2.1.7. Gazul de depozit

I.2.2. Situatia n RomniaI.3. Scheme de sustinere a energiei electrice produse din SRE

I.3.1. Motivele promovarii E-SREI.3.2. Necesitatea aplicarii de scheme de sustinere pentru promovarea E-SREI.3.3. Scheme de promovare a E-SREI.3.4. Criterii de evaluare a schemelor de sprijin

I.4. Garantii de origine pentru energia electrica produsa din SREI.5. Piata certificatelor verzi

I.5.1. Conceptul certificatelor verziI.5.2. Sistemul RECS

I.6. Preturi ale energiei electrice pe tipuri de SRE, tipuri de tehnologiiI.6.1. Costuri investitionale si preturi aplicate n tarile UEI.6.2. Experiente de aplicare a tarifelor feed-in n tarile UEI.6.3. Experiente de aplicare a tarifelor pentru alte tipuri de scheme de sustinere, n tarile

UEI.6.4. Tarife de racordare

I.7. Racordarea la retea a producatorilor de energie electrica produsa din SREI.7.1. Prevederile directivei 2001/77 privind racordarea la retea a producatorilor de E-SREI.7.2. Accesul la retea n unele state membre ale Uniunii EuropeneI.7.3. Accesul la retea n Romnia

I.8. Evaluarea cadrului de reglementare existentI.9. Optiuni privind stabilirea unor scheme de sprijin pentru promovarea E-SRE n RomniaI.10. Impactul patrunderii pe piata energiei electrice n Romnia a E-SRE

I.10.1. Impactul patrunderii pe piata energiei electrice n Romnia a E-SRE


3/25

I.10.2. Analiza de sensibilitate a variatiei pretului energiei electrice la consumatorul finaln functie de pretul E-SRE

I.11. Concluzii

CAPITOLUL II.PRODUCEREA ENERGIEI ELECTRICE DIN SURSE

REGENERABILE DE ENERGIEENERGIA EOLIANA

II.1. Evolutia istorica a centralelor eolieneII.2. Energia vntuluiII.3. Analizele anemometriceII.4. Energia maxima care se poate extrage din energia vntului (Limita Betz)II.5. Studiul profilului palelor

II.5.1. Analiza unui profil cu rezistenta aerodinamicaII.5.2. Analiza profilelor cu portanta

II.6. Coeficientul de putere a rotoruluiII.7. Evaluari a productiei de energieII.8. Caracteristicile turbinelor eoliene si exploatarea lorII.9. Evaluari economice a instalatiilor eolieneII.10. Impactul asupra mediului a instalatiilor eoliene

CAPITOLUL III.ANALIZA MISCARILOR MASELOR DE AER DIN

PERSPECTIVA EXPLOATARII ENERGIEI CINETICE AACESTORA

III. 1. Ecuatiile de miscare care descriu comportarea vntului III.1.1. Derivata totala, locala, convectivaIII.1.2. Ecuatiile de miscare deasupra Pamntului n miscare de rotatie

III.1.2.1. Platforma rotationalaIII.1.2.2. Sistemul rotational meteorologicIII.1.2.3. Explicitarea fortelor fundamentaleIII.1.2.4. Neliniaritatea ecuatiilor de miscare

III.1.3. Transformarea n axe rotationale. Notatii vectorialeIII.1.4. Atmosfera, un mediu continuuIII.1.5. Analiza de scala

III.1.5.1. Consideratii de scala referitoare la ecuatiile de miscareIII.1.6. Conservarea masei si ecuatiile de continuitateIII.1.7. Setul complet de ecuatii care guverneaza atmosferaIII.1.8. Ecuatiile de miscare ntr-un sistem rotational sferic

III. 2. Cauzele care stau la baza formarii vntului III.2.1 Miscarea de inertieIII.2.2. Vntul geostrofic

III.2.2.1 Efectul frecariiIII.2.3 Vntul de gradient


4/25

III.2.4.Vntul ciclostroficIII.2.5. Comparatie ntre valorile geostrofice si cele de gradientIII.2.6. Reprezentarea gradientului de presiune pentru suprafete diferite de ceaorizontala

III.2.6.1. Suprafete izobare

III.2.6.2. Suprafete izoentropiceIII.2.7. Vntul termic III. 3. Cinematica fluxului de aer

III. 3.1. Liniarizarea cmpului de vitezeIII. 3.2. Moduri de descriere a fluxurilor de fluideIII. 3.3. Functia de curent sau stream functionIII. 3.4. Legatura dintre divergenta orizontala si ecuatia de continuitate

III.4. Studiul vscozitatii si turbulentei aerului n Boundary LayerIII.4.1. Fortele de vscozitateIII.4.2.Vscozitatea si turbulentaIII.4.3. Stressul ReynoldsIII.4.4. Ecuatiile de miscare pentru un flux de fluid n miscare turbulentaIII.4.5. Teoria mixing-lenght (lungimea amestecului)III.4.6. Structura verticala a vntului n stratul limita superficialIII.4.7. Structura verticala a vntului n stratul turbulent Eckman

III. 5. Comportarea fluxului de aer n apropierea coastelor si deasupra muntilor din perspectiva teoremei circulatiei si a teoremei vorticitatii

III.5.1. Circulatia si vorticitateaIII.5.2 Teorema circulatieiIII.5.3. Interpretarea fizica a teoremei lui KelvinIII.5.4. Studii de caz referitoare la Teorema circulatiei

III.5.4.1.Briza de mareIII.5.4.2.Influenta nclinatiei suprafetelor frontaleIII.5.4.3.Convergenta, divergenta si efectul latitudinii

III. 5.5 Teorema vorticitatiiIII.5.5.1. Conservarea vorticitatii absolute. Fluxul de aer deasupra muntilor

CAPITOLUL IV.STABILITATEA ATMOSFERICA SI ELEMENTE DE

TERMODINAMICA ATMOSFEREI

IV.1 Termodinamica atmosfereiIV.1.1 IntroducereIV.1.2. Notiuni de termodinamica

IV.1.2.1 Ecuatia de starea unui gaz idealIV.1.2.2. Lucrul mecanicIV.1.2.3. Capacitatea termicaIV.1.2.4. Conservarea energieiIV.1.2.5. Energia interna si caldura specifica a unui gazIV.1.2.6. Procese adiabatice

IV.1.2.7. Entropia si a doua lege a termodinamiciiIV.1.2.8. Procese reversibile si ireversibile


5/25

IV.1.3. Potentiale termodinamiceIV.1.4. Potentialul chimic

IV.1.4.1.Potentialul chimic a unui gaz ideal ntr-un amestecIV.1.4.2. Potentialul chimic al unui lichid

IV.1.5. Conditii generale de echilibru

IV.1.5.1. Echilibrul termic, mecanic si chimic a unui sistem eterogenIV.1.5.2. Regula de faze a lui GibbsIV.1.6. Termodinamica aerului umedIV.1.7. Proprietatile termice ale apeiIV.1.8. Ecuatia de stare a aerului umedIV.1.9. Caldura latenta si schimbari de faze

IV.1.9.1 Dependenta de temperatura a caldurilor latenteIV.1.10. Ecuatia Clausius Clapeyron: relatia dintre se si TIV.1.11. Procese adiabatice pentru aerul saturat

IV.1.11.1. Ecuatia pseudoadiabaticaIV.1.12. Diagrame termodinamice

IV.1.12.1. Conditii generaleIV.1.12.2.Diagrama luiST U &&VEIV.1.12.3. EmagramaIV.1.12.4. Tefigrama

IV.1.13. Variabile de umiditateIV.1.13.1. Alte variabile ale umiditatii

IV.2. Stabilitatea atmosfericaIV.2.1.Hidrostatica atmosfereiIV.2.2.Stabilitatea hidrostatica si convectia

IV.2.2.1.Gradientul uscat si umed adiabatic

IV.2.2.2.Metoda portiuniiIV.2.2.3.Variatii de stabilitate de-a lungul straturilorIV.2.2.4. Metoda stratului

CAPITOLUL V. EFECTE DE INTENSIFICARE A VNTULUI DATORATE

MORFOLOGIEI TERITORIULUI

V.1. Introducere n problemaV.2. Atmosfera turbulenta

V.2.1. Modelul de nchidere a unei ecuatii: coeficientul de amestecV.3. Profilul vertical al atmosferei

V.3.1. TroposferaV.3.2. Stratul limita planetar

V.3.2.1. naltimea de amestec (grosimea stratului limita atmosferic)V.3.2.1. naltimea de amestec (grosimea stratului limita atmosferic)

V.3.3. Stratul superficialV.3.4. Stratul turbulentV.3.5. Stratul stabil


6/25

V.3.6. Stratul limita urbanV.4. Profilul vntului

V.4.1. Legea de putere pentru profilul vntuluiV.4.2. Profilul logaritmic al vntului pentru atmosfera neutraV.4.3. Profilul diabatic al vntului

V.4.3.2. Conditii de stabilitate atmosfericaV.5. Profilul vntului deasupra unei colineV.5.1. Teoria lui Jackson si HuntV.5.2. Aprofundarea teoriei lui Jackson si Hundt n prezenta unei orografii complexe

CAPITOLUL VI.DETERMINAREA POTENTIALULUI EOLIAN N ZONA

DEALURILOR ORADIEI

VI.1. Introducere n analiza problemeiVI.2. Zona studiataVI.3. Campania anemometricaVI.4. Estimarea vitezelor la naltimea de 60m de la sol cu ajutorul profilului logaritmic alvntuluiVI.5. Efectul de speed-up datorat colinelorVI.6. Analizarea efectului pozitionarii suburbaneVI.7. Comparatii ntre valorile masuratorilor efectuate n zona colinara si valorile estimateVI.8. Prelucrarea statistica a valorilor masurate cu ajutorul distributiei WeibullVI. 9.Analiza energetica lunara

Contributii personaleConcluzii finaleBibliografie


7/25

n Capitolul I se analizeaza cadrul legal din Romnia privind producerea energiei

electrice din surse regenerabile de energie (E-SRE) n general, si producerea de energieelectrica din surse eoliene n special.

Se subliniaza aici faptul ca Romnia, odata cu intrarea n Uniunea Europeana are si ea

de facut eforturi n acest sens si de ndeplinit cteva angajamente clare n domeniul energiilorregenerabile. Astfel, tara noastra s-a angajat ca:

Pna n anul 2010, energia electrica provenita din surse verzi sa reprezinte 33% dinconsumul national, Pentru ca apoi, n anul 2015, procentul sa creasca la 35 % Iar n anul 2020 sa ajunga la 38 %.

Acestea sunt angajamentele tarii noastre n materie de energii regenerabile.

Pentru a ajunge la acest deziderat Romnia face eforturi pentru a sustine si ncurajainitiativele de realizare a acestor obiective. Romnia a fost prima tara din Estul Europei care aaderat la Parteneriatul pentru Energie Regenerabila si Eficienta Energiei. PotentialulRomniei n domeniul producerii de energie verde este urmatorul:

65% biomasa 17% energie eoliana 12% energie solara 4% microhidrocentrale 1% + 1% voltaic +geotermal

Iar distributia pe zone a acestui potential se prezinta n felul urmator:

n Delta Dunarii energie solaran Dobrogea energie solara si eolianan Moldova micro-hidro, energie eoliana, biomasa

33%

35%

38%

30%

31%

32%

33%

34%

35%

36%

37%

38%

2010 2015 2020


8/25

n Carpati nregistram potential ridicat de biomasa si micro-hidron Transilvania avem potential ridicat pentru micro-hidron Cmpia de Vest avem posibilitati de valorificare a energiei geotermalen Regiunile Subcarpatice nregistram potential pentru biomasa si micro-hidroIar n Cmpia de Sud putem valorifica biomasa, energia geotermica, energia solara

Desigur, valorificarea la maximum a ntregului potential pe diferitele categorii deenergii verzi presupune investitii serioase si presupune facilitati acordate investitorilor dinacest sector. Principalul instrument destinat investitorilor n energii curate l reprezintaCertificatele Verzi. Este un sistem prin care toti furnizorii de energie electrica trebuie saachizitioneze o cota obligatorie de energie electrica provenita din surse regenerabile, pe caresa o furnizeze consumatorilor.

Un certificat verde este echivalent cu 1 MWh de energie curata, iar pentru el, producatorul primeste, alaturi de pretul energiei electrice stabilit de piata, un pret suplimentar,stabilit pe o piata paralela, unde sunt tranzactionate beneficiile aduse mediului. Sumasuplimentara pe care un producator o poate primi pentru un astfel de certificat verde estecuprinsa ntre 24 si 42 de Euro, iar cota obligatorie de energie verde pe care orice furnizor afost obligat, sa o achizitioneze, n anul 2006, de la producatori a fost de 2,20% din totalulenergiei electrice contractate. Atentie, nsa! Aceasta cota se va tripla n anul 2009!

n acest sens, sunt ncurajati agentii economici, precum si autoritatile locale sautilizeze Administratia Fondului pentru Mediu ca instrument financiar. AFM finanteaza astfelde proiecte si suporta n proportie de 50% din costurile eligibile ale proiectului (pentru agentiieconomici) si 60% (pentru autoritati locale).

n cadrul conferintei de presa din data de 02.08.2007, referitoare la energiileregenerabile, sustinute de Ministrul Mediului, Attila Krodi, s-a dat publicitatii harta eoliana aRomniei ntocmita si finalizata de Administratia Nationala de Meteorologie.


9/25

Distributia teritoriala a energiilor regenerabile este:

I - Delta Dunarii (energie solara);II - Dobrogea (energie solara, energie eoliana);III - Moldova (cmpie si platou: micro-hidro, energie eoliana, biomasa);IV - Carpati (IV1 - Carpatii de Est; IV2 - Carpatii de Sud; IV3 - Carpatii de Vest, potential ridicat n biomasa,micro-hidro si eoliana);V - Platoul Transilvaniei (potential ridicat pentru micro-hidro si biomasa);VI - Cmpia de Vest (potential ridicat pentru energie geotermica si eoliana);VII - Subcarpatii (VII1 - Subcarpatii getici; VII2 - Subcarpatii de curbura; VII3 - Subcarpatii Moldovei: potential ridicat pentru biomasa, micro-hidro);

VIII - Cmpia de Sud (biomasa, energie geotermica, energie solara).

Dupa cum se vede din harta eoliana, zona orasului Oradea este caracterizata de vitezea vntului cu medii cuprinse ntre 3 si 4 m/s. Pentru ca o zona sa fie candidata pentruinstalarea centralelor eoliene aceasta trebuie sa aiba o viteza medie anuala de minim 4m/s lanaltimea de 10m de la sol. Aceasta este naltimea la care se efectueaza masuratorile nreteaua Agentiei Nationale de Meteorologie. Dupa aceasta harta, zona orasului Oradea nu sencadreaza n zonele cu potential eolian semnificativ, dar nici nu este departe de limitaminima de la care poate fi luata n calcule.

Din acest punct lucrarea de fata si propune sa identifice care sunt zonele care datoritaunor factori locali pot duce la intensificarea vitezei vntului pe arii restrnse si care ulterior sa poata fi exploatate n vederea producerii de energie electrica.

Pornind de la acest deziderat lucrarea se continua n CAPITOLUL II cu studiulenergiei eoliene n detaliu, pornind de la modul n care sunt conduse masuratorileanemometrice, prelucrarea statistica a variabilei aleatoare vnt, constructia centralelor eoliene,identificarea parametrilor care trebuiesc urmariti pentru exploatarea caracteristicilor eolienedin zona noastra.

n CAPITOLELE III si IV sunt dezvoltate n detaliu analizele miscarilor maselor deaer precum si legile care guverneaza aceste miscari. Studiul este efectuat pentru a aprofunda problema miscarilor maselor de aer n vederea identificarii factorilor care pot intensificaviteza vntului.

CAPITOLUL V se refera la influenta orografiei zonale n intensificarea vitezeivntului. Avnd n vedere ca n zona studiata sunt formatiuni de dealuri, efectele de


10/25

intensificare a vntului n zonele colinare sunt studiate n detaliu cu ajutorul teoriei luiJackson si Hundt. De asemenea, tot n acest capitol sunt analizate influentele unei zoneurbane asupra micro-climatologiei zonale.

CAPITOLUL VI este cel n care este analizata viteza vntului prin prisma studiilor dincapitolele precedente n zona colinara a orasului Oradea. Iar concluziile sunt interesante

pentru ca evidentiaza posibilitatea implementarii anumitor centrale eoliene n aceste zone, darmai ales pentru ca este descrisa metoda prin care sunt evaluate efectele de intensificare avitezei vntului n functie de caracteristicile locale, metoda care poate fi utilizata si n orice altloc cu orografie complexa.

DETERMINAREA POTENTIALULUI EOLIAN N ZONADEALURILOR ORADIEI

VI.1. Introducere n analiza problemei

n cadrul ultimelor trei capitole a acestei lucrari s-a subliniat o modalitate de analiza aunei zone pentru a determina daca exista sau nu conditii pentru instalarea uneia sau maimultor centrale eoliene ntr-o anumita zona. Am vazut ca n zona metropolitana Oradea existamasuratori ale vitezelor vntului care o clasifica n categoria zonelor asa-zis marginale.

n cursul acestui capitol ncerc sa aplic conceptele teoretice ilustrate n interioruldiferitelor capitole precedente pentru a conduce o analiza pentru o zona reala, astfel nct sadetermin daca aceasta zona poate fi considerata potrivita pentru exploatarea energiei cineticea vntului. Analiza se concentreaza pe analiza efectelor de intensificare a vntului datorateconditiilor locale si nu zonale. n aceasta parte a lucrarii vor fi evidentiate efectele colinelorasupra intensitatii vntului , efectul situarii acestei zone n apropierea unei asezari urbane precum si posibilele schimbari climatice locale.

VI.2. Zona studiata

Latitudinea nordica de 47 03' si longitudinea estica de 21 55' plaseaza Oradea pecursul Crisului Repede ntr-o zona deluroasa aflata n prelungirea Muntilor Apuseni.

La altitudinea de 126 m deasupra nivelului marii, Oradea se gaseste la deschiderea vaiiCrisului Repede spre cmpie, ntr-o zona de contact ntre prelungirile Muntilor Apuseni siCmpia Banato-Crisana, arie de trecere de la relieful deluros (Dealurile Vestice, DealurileOradiei si Dealurile Gepisului), catre cel de cmpie.

Clima orasului este determinata de vnturile din Sud Vest, fiind asadar o climatemperat-continentala, cu o temperatura medie anuala de 10,40C, pentru luna iulie medianedepasind 210C, n timp ce n ianuarie se nregistreaza o medie de -1,40C. Precipitatiilenregistreaza o medie anuala de 585,4 mm, destul de ridicata pentru o zona de cmpie

similara.


11/25

VI.3. Campania anemometrica

Locul analizat pentru studiul nostru de caz este situat n zona metropolitana Oradea.Alegerea zonei a fost determinata de faptul ca n zona exista Statia meteorologica Oradeaunde exista masuratori a vitezei vntului efectuate pentru ultimii 25 de ani. Tocmai datoritaacestui fapt datele de vntozitate pot fi considerate credibile, si n consecinta, si pot fi facuteanalize energetice.

Datorita faptului ca se doreste evaluarea potentialului eolian n zona colinaranvecinata orasului Oradea, si datorita faptului ca n aceasta zona s-au facut masuratori doartrei luni: noiembrie, decembrie 2006 si ianuarie 2007, ne propunem ntr-o prima faza sacomparam datele istorice de vntozitate pentru aceleasi luni ale anului.

Primul pas n evaluarea vntozitatii zonei s-a facut facnd o analiza a istoricului zonei.Valorile vitezelor vntului masurate la statia meteorologica Oradea din anul 1970 si pna n

anul 2005 pot fi urmarite n anexa VI.1. Din acesta se remarca faptul ca viteza vntuluimultianuala masurata la Statia Meteorologica Oradea a fost de 3 m/s. Se remarca faptul ca nultimii ani viteza anuala a depasit valoarea de 3 m/s, dar din aceste date nu putem trageconcluzia ca ar fi survenit o intensificare a vntului n ultimii ani deoarece valori medii anualecu viteze de peste 3m/s au mai existat si n perioada 1973-1981. O alta remarca interesantaeste ca valorile vitezelor vntului vara sunt evident mai mici dect cele din lunile friguroase,dar diferentele sunt de ordinul a 0,5m/s, deci nu sunt foarte mari.

Faza initiala pentru o evaluare a posibilitatii de a exploata eolian o zona este prelucrarea datelor de vntozitate masurate n punctul teritoriului ct mai apropiat de zonacandidata pentru a fi un viitor parc eolian.

n acest scop s-au efectuat masuratori anemometrice n perioada elaborarii acestei teze

n lunile noiembrie, decembrie 2006 si ianuarie 2007 n zona colinara care margineste la nord-nord est municipiul Oradea unde se doreste determinarea potentialului eolian (vezi AnexaVI.4.).

n tabelul VI.1. Sunt prezentate comparativ valorile medii ale lunilor noiembrie,decembrie si ianuarie (medie multianuala, masurata la Statia meteo Oradea, la naltimeastandard de 10m de la sol), si valorile masurate n zona colinara a Orasului Oradea.

Luna Media multianuala(m/s) 1970-2005

Media masuratorilor(m/s) 2006-2007

noiembrie 3,0 4,6decembrie 3,2 5,0ianuarie 3,1 9,7

Tabelul VI.1 Comparatie ntre valorile medii multianuale si valorile masurate n zonacolinara

Diferenta valorilor de viteze a vntului ntre statia meteorologica Oradea simasuratorile efectuate n zona colinara pot fi considerate punctul de pornire pentru aceastalucrare, n ncercarea de a explica cauzele care duc la o crestere a vitezei n zona colinaranvecinata orasului Oradea, si apoi la o extrapolare a datelor pentru a evalua potentialul eolianal zonei colinare.

Diferentele dintre valorile masurate la statia meteo si cele colinare sunt de la 1,6m/s la6,6 m/s. O asemenea diferenta poate face distinctia ntre o zona neinteresanta din punct de


12/25

vedere eolian si cealalta care ar putea fi interesanta si prin urmare sa merite sa fie studiata ndetaliu, pentru evaluarea potentialului eolian al acesteia.

VI.4. Estimarea vitezelor la naltimea de 60m de la sol cu ajutorulprofilului logaritmic al vntului

n primul rnd, datele istorice anemologice avute la dispozitie reflecta vitezelevntului la naltimea de 10 m deasupra solului. Acestea sunt estimate la 60 de metrii, naltimela care se presupune ca se va pozitiona aerogeneratorul.

Datorita faptului ca stratul superficial a fost foarte mult studiat n sfere diferite deinteres (de la agricultura la meteorologie, de la oceanografie la inginerie), au fost elaborate ntimp diferite profiluri de viteze a vntului. Toate acestea pornesc de la consideratia camiscarile prezente n interiorul stratului sunt de tip turbulent si turbulenta este n primul rndde natura mecanica, n masura n care se presupune ca intervalul este cvazi-adiabatic,

stratificarea se petrece n conditii hidrostatice neutre si fenomenul de convectie este nconsecinta neglijabil.Pornind de la aceste ipoteze pentru a descrie variatia vitezei vntului se folosesc trei

tipuri de profiluri a vntului: o lege de putere; un profil logaritmic; un profil diabatic.

Legea de putere se defineste ca: p

R R z

z uu

= (VI.1)

n aceasta apare termenul Ru care indica viteza vntului data la o anumita naltime de lasol R z , n timp ceu reprezinta viteza pe care dorim sa o estimam la o naltimew de deasupraterenului.

Pentru calculele de rezistenta a constructiilor, din motive de precautie, este folosita aceastaformula pentru a estima viteza vntului la o anumita naltime, deoarece tinde sa supraestimezevaloarea vitezei. Pentru conditii atmosferice caracterizate de un teren uniform si turbulentaeste doar de natura mecanica, aceasta lege supraestimeaza foarte mult valorile, pentru ca nrealitate aceste conditii atmosferice sunt rare, aceasta lege este adevarata si coincide cu profilul vntului exprimat prin intermediul unei legi logaritmice doar pentru naltimi aterenului care nu sunt foarte mari.

n toate domeniile n care se estimeaza profilul vntului odata cu cresterea cotei, si undevaloarea acestuia nu trebuie supraestimata din motive de precautie, de obicei se folosestereprezentarea profilului vntului cunoscut ca profilul vntului pentru conditii atmosfericeneutre sau profilul natural al vntului. Acest profil al vntului este caracteristica predominanta a Surface layer. n acest strat, dupa cum am vazut deja anterior, mecanismulturbulent predominant este cel de tip mecanic: turbulenta de tip convectiv este neglijabila,gradientul termic este apropiat de conditiile adiabatice si stratificarea se petrece n conditiihidrostatice aproape neutre.

Profilul logaritmic al vntului

=0

ln* z z

k u

ua

(VI.2)


13/25


14/25

luna ian feb. mar apr mai iun iul aug sept oct nov dec

Medialunara

la10m

3,1 3,2 3,5 3,5 3,1 2,8 2,6 2,4 2,5 2,7 3,0 3,2

Medialunara la60m

4,30 4,49 4,80 4,88 4,25 3,83 3,59 3,28 3,48 3,754,14 4,10

Tabelul VI.2 Valori de viteze comparative pentru 10m de la sol respectiv 60m de la sol

VI.5. Efectul de speed up datorat colinelor

Se doreste n aceasta parte sa se calculeze gradul de intensificare a vntului datoratcolinei si pentru aceasta se va calcula valoarea factorului de speed up datorate colinei.

Dupa cum s-a vazut n capitolul V.5, ncercam sa adaptam formula utilizata de Jacksonsi Hundt [11] cazului nostru n care este prezenta o morfologie complexa a teritoriului. Secalculeaza procentul de spatiu liber care se gaseste pentru a avea un curent eolian nmomentul n care traverseaza o colina. (vezi capitolul V.5)

Prima data se calculeaza raportul:

h

m = (VI.6)

Acest raport variaza odata cu variatia naltimii colinei, iar este naltimea de la solla care fluxul de aer nu mai resimte influenta colinei de dedesubt. Alegerea zonei s-a facut nsperanta ca n aceste regiuni se va obtine un factor de speed-up suficient de mare, si de aceeas-a considerat naltimea maximah a acestor coline si anume de 283 m.

O data obtinuta aceasta valoare s-a determinat gradul de compresie a curentului eolian, presupunnd ca:

Lml = (VI.7)

Pentru a calcula valoarea luil , s-a determinat lungimea caracteristica a colinei L.Aceasta se face pornind de la analiza acesteia: nu are o forma geometrica bine definita,aceasta lungime, a fost dedusa lund ca referinta curba de nivel corespunzatoare unei naltimiegala cu h/2 si calculnd lungimea medie. O data calculata lungimea caracteristica, amdeterminat valorii luil .

Apoi am calculat valoarea factorului de speed-up cu ajutorul formulei

==

0

2

0

2

0 ln

ln

z l

z L

Lh

uu

S (VI.8)

Pentru a calcula factorul de speed-up am procedat n maniera schematica calculnd

factorul de accelerare doar pentru punctul situat n vrf. Pentru a calcula n alte puncte ar finecesar sa urmam toate evaluarile complexe n mod similar cu cele urmarite pentru o colina


15/25

izolata, facute de Jackson si Hundt si de Pannofsky , n care, pornind de la miscarea potentiala referitoare la un profil aripa, au estimat valoarea fluxului deasupra unei coline. nconsecinta, n aceasta lucrare, pentru simplificare, pentru puncte mai joase dect naltimeamaxima a colinei, se estimeaza un coeficient de speed-up presupunnd ca acesta ar fi minimla poalele colinei pentru a ajunge la valoarea sa maxima n vrful colinei. n consecinta, se

presupune ca odata cu cresterea naltimii acest coeficient creste liniar. n acest mod se potgasi valorile pentru oricare puncte necunoscute de altitudini mai joase dect cel calculat aici.Valoarea coeficientului de speed up calculat pentru cel mai nalt punct este 0,223. Cu

ajutorul coeficientului de speed-up S am calculat valorile vitezelor vntului deasupracolinei:

vvv mcolin += 60 (VI.9)

Pentru camv

vS

60

= se obtine:

( )S vv mcolina += 160 (VI.10)

Valorile vitezelor estimate n vrful colinei sunt prezentate n anexa VI.3

luna ian feb mar apr mai iun iul aug sept oct nov decMedia

lunara la10m

3,1 3,2 3,5 3,5 3,1 2,8 2,6 2,4 2,5 2,7 3,0 3,2

Medialunara la

60m

4,30 4,49 4,80 4,88 4,25 3,83 3,59 3,28 3,48 3,754,14 4,10

Vitezemedii nvrfulcolinei

5,24 5,48 5,85 5,96 5,18 4,68 4,38 4,00 4,25 4,575,05 5,43

Tabelul VI.3. Valorile medii estimate n vrful colinei cu ajutorul teoriei lui Jackson si Hundt

VI.6. Analizarea efectului pozitionarii suburbane

Toate caracteristicile stratului limita planetar (PBL) (pornind de la comportamentulgradientului termic, de exemplu), sunt cu siguranta valide pentru zonele extraurbane si rurale,nsa n zonele urbane lucrurile se pot petrece n mod diferit, din cauza prezentei constructiilorsi a strazilor, si nu n ultimul rnd din cauza traficului urban, si a surselor de caldura care,toate mpreuna, influenteaza structura termica a aerului urban.

Urbanizarea, care include constructiile rezidentiale, industriale, comerciale, produceschimbari radicale a caracteristicilor radiative, termodinamice si aerodinamice ale suprafeteifata de zonele rurale din mprejurimi. Aceasta produce o neomogenitate pe orizontala.Modificarile meteorologice astfel generate de o zona urbana sunt, n marea lor majoritate,marginite ntr-un strat atmosferic numit Urban Boundary Layer (UBL).

Fenomenul cel mai frecvent observat este de crestere a temperaturii aerului fata desuprafetele urbane, fenomen care se cheama insula de caldura. (heat island)


16/25

Cea mai mare diferenta de temperatura ntre zona urbana si cea rurala este de obiceiobservata n timpul noptii. n orasele cu 1000 de locuitori, au fost masurate diferente detemperatura maxime de 2-3 grade Celsius, n timp ce pentru orase cu peste 1 milion delocuitori a fost masurat un exces de caldura pna la 8-12 grade Celsius (Oke, 1982). PentruOradea, oras cu peste 200.000 de locuitori s-au facut masuratori a diferentei de temperatura n

zona urbana si cea suburbana si s-au masurat diferente de 1,5-2,5 grade Celsius. Nu s-au facutmasuratori n mod sistematic, pentru ca nu acesta este subiectul lucrarii de fata (dar este o idee pentru o lucrare viitoare), ci doar sporadic pentru a vedea care este ordinul de marime alacestui fenomen.

Figura. VI.2 Ciclul diurn al temperaturii ntre zona urbana si cea rurala (Oke, 1982)

n multe cazuri, caldura acestei insule de caldura a orasului este suficient de mare pentru a mentine un strat convectiv de amestec (convective mixed layer) superficial n timpulnoptii, si cnd un strat stabil substantial (stable layer) este deja dezvoltat n mprejurimi. Deaceea n zonele urbane, Stratul de amestec (ML) poate sa dureze pe parcursul noptii datoritaconstructiilor si strazilor orasului care au o mare capacitate de nmagazinare a caldurii.Primele straturi din stratul stabil (SBL), care se formeaza la nceputul serii n zonele rurale dinmprejurimi, nu sunt observate imediat si n oras. Si mai trziu n noapte, cnd SBL este dejanalt si bine dezvoltat pe o naltime care o depaseste pe cea a constructiilor urbane, un usorstrat superficial poate ramne n oras ntotdeauna bine amestecat (ML), depasit de deasupra deSBL.

Formarea acestui strat superficial urban (UBL) este influentata de miscarile sinopticesi de topografia zonei, excesul de temperatura a insulei de caldura este influentat si devntul mediu prezent n zona, de acoperirea cu nori a cerului si de precipitatii. S-a observat ocrestere a vitezei vntului deasupra orasului, datorita gradientului orizontal de temperaturaurbana.

O alta particularitate a zonei urbane este cea a valorii naltimii de rugozitate0 z , care pentru zonele cu constructii foarte dense si foarte nalte poate ajunge la ctiva metrii.


17/25

Figura VI.3. Circulatia aerului datorata insulei de caldura

VI.7. Comparatii ntre valorile masuratorilor efectuate n zona colinara sivalorile estimate

Luna Valori ale vitezeivntului estimate

Valori ale vitezeivntului masurate

noiembrie 5,05 4,6decembrie 5,43 5,0ianuarie 5,24 9,7

Tabelul VI.4 Comparatii ntre valorile masurate si cele estimate

Din comparatia dintre vitezele estimate si cele masurate se observa faptul ca pentrulunile noiembrie si decembrie valorile sunt comparabile, n schimb n luna ianuarie valorilemasurate sunt mult mai mari dect cele estimate. Acest lucru se poate explica prin faptul caam folosit ca baza de date pentru estimare valori medii multianuale. O astfel de mediere tindesa niveleze valorile si prin urmare este incapabila sa surprinda perioadele de intensificare avntului precum si procentul de calm atmosferic. Daca mai era nevoie, acest studiu subliniazanca odata faptul ca pentru evaluarea potentialului eolian al unei anumite zone este obligatorieo campanie de masuratori, si nu estimari pentru a putea demara o investitie n industriaeoliana. Estimarile au rolul lor bine determinat, pentru a identifica locurile n care sa seinstaleze anemometrele si pentru a determina n cel mai scurt timp posibil daca este necesar sase continue masuratorile n locul respectiv sau sa fie sistate imediat. Toate acestea suntabsolut necesare pentru a nu pierde timp, 2 ani de zile (minim),si sa se ajunga la concluzia cazona nu este interesanta din punct de vedere eolian.


18/25

VI.8. Prelucrarea statistica a valorilor masurate cu ajutorul distributieiWeibull

Datorita faptului ca s-au nregistrat medii orare, este posibila o analiza statistica avalorilor masurate (anexa V.I4-V.I6). Pentru aceasta au fost folosita statistica Weibull cu doi parametrii, epurata de calm.

luna noiembrie decembrie ianuarieNr de

masuratoridisponibile

338 744 550

Procentul decalm

1,18 13,30 00,00

Tabelul VI.5. Procentul de calm pentru lunile noiembrie, decembrie si ianuarie

De aici se observa ca pentru aceste luni procentul de calm este mic. Aceasta indicafaptul ca vntozitatea n zona colinara este destul de sustinuta. n cele ce urmeaza am folositDistributia Weibull epurata de calm. Problema fundamentala nainte de a trece la analizareadistributiilor de vnt este cuplarea caracteristicilor vnt-masina eoliana si consta ndeterminarea parametrilor k si c. Reamintim ca k este un coeficient adimensional n timp ce care dimensiunile unei viteze.

Acestia se determina pornind de la curba de distributie cumulativa a vitezelor vntului( )v F . Expresia analitica a acestei curbe este urmatoarea :

( ) ( )

== k

c

vv

edvv f v F 10

(VI.11)

Introducnd aceste date, pentru fiecare luna, n functia de distributie cumulativaWeibull F( ), au fost determinate valorile celor doi parametrii caracteristici k si c prinregresie din datele experimentale ( cu metoda descrisa n [144]). Pornind de la valorile deviteze a vntului si de la frecventele cumulative, se determina doua noi variabile auxiliare x si

y exprimate prin urmatoarele relatii:

( )u x ln= ( )[ ] F y = 1lnln (VI.12)

Diagrama care reprezinta variabila y n functie de variabila x este descrisa de un set deecuatii:

xm y y += 0 (VI.13)

Coeficientul unghiularm al acestei retele este egal cuk , n timp ce termenul 0 y

permite evaluarea parametrului de scala c prin intermediul urmatoarei relatii:


19/25

m

y

ec0

= (VI.14)

luna viteza medie parametrul k parametrul c

noiembrie 4,6 1,473 5,285decembrie 5,0 1,478 5,796ianuarie 9,7 1,481 9,359

Tabelul VI.6. Valorile parametrilor k si c calculate pentru valorile masurate n lunilenoiembrie, decembrie, ianuarie

Dupa ce au fost calculate valorile parametrilor k si c se poate trece la constructiadistributiei Weibull pentru fiecare luna:

Scale A =5.08; Shape k =1.47; Mean = 4.60; Median = 4

Figura VI.4.. Distributia Weibull pentru luna noiembrie

Figura VI. Distributia Weibull pentru luna decembrie


20/25


21/25

Acesti trei parametrii au fost calculati, deoarece cupleaza caracteristicile zonei si aturbinei. Se calculeaza cei trei parametrii caracteristici ai analizei energetice pentru aceste treiluni.

f A f C randamentulnoiembrie 0,490 0,121 0,287decembrie 0,561 0,156 0,280ianuarie 0,739 0,354 0,229

Tabelul VI. 7. Parametrii caracteristici analizei energetice

Observatii:

Deoarece s-au facut masuratori si s-au calculat toti parametrii doar pentru cele treiluni de masuratori, noiembrie, decembrie si ianuarie, aceasta nu poate fi considerat un studiucomplet, dar din datele de vntozitate si din calculul parametrilor caracteristici reiese faptul camerita sa fie continuate masuratorile.

Evident, n lunile de iarna vntozitatea este crescuta si de aceea este imperios necesarsa se efectueze masuratori si n lunile de vara. Din analiza vitezelor lunare multianuale sevede ca diferenta dintre vitezele din lunile de iarna si cele de vara nu depaseste 0,5 m/s. nlunile de vara cu precadere apar vnturi locale datorate efectului insulei de caldura, datoritagradientului orizontal de temperatura. Ar fi interesant de analizat care este ordinul de marimeal acestora si cum ar putea influenta vntozitatea locala.

Din analiza vitezelor anuale a vntului se observa ca viteza medie anuala n ultimii ani

a depasit 3m/s dar asemenea perioade au mai existat si n anii 1973-1981 si de aceea nu se poate pune problema unor modificari climatice referindu-ne la acest parametru. O eventualaanaliza a modificarilor climatice s-ar putea face pornind nu de la valorile medii anuale ci de lamedii orare care ar pune mai mult n evidenta dispersia datelor n jurul valorii medii sieventuale cresteri a perioadelor de calm precum si a celor cu vnturi mari, fapt care armodifica forma distributiei Weibull, a parametrilor caracteristici si implicit calculele de potential eolian al zonei.

Contributii personale

Asi dori sa subliniez cteva din contributiile proprii din cadrul acestei teze:

1. Aplicarea teoriei profilului logaritmic al vntului si estimarea vitezei sale la naltimeade 60 de metri de la sol pornind de la valorile de viteze, cunoscute, masurate la 10 mde la sol. Valorile calculate sunt prezentate n anexa VI.2.

2. Aplicarea teoriei lui Jackson si Hundt pentru calculul coeficientului de speed-up pentru o colina din zona Dealurilor Oradiei. Pentru zona analizata s-a calculat uncoeficient de speed up numeric egal cu 0,22. Cu ajutorul acestui coeficient amestimat valoarea vitezei vntului n vrful colinei, la naltimea de 60 de metri de la sol.Valorile calculate sunt prezentate n anexa VI.3.

3. Pentru a verifica rezultatele teoretice obtinute, n perioada elaborarii acestei teze, amfacut masuratori anemometrice n zona dealurilor Oradiei. Comparatia dintre valorile


22/25

estimate si cele masurate pentru lunile noiembrie, decembrie si ianuarie este prezentata n Tabelul VI. 4. Din comparatia dintre valorile masurate si celedeterminate din calcule se observa o concordanta destul de buna pentru lunilenoiembrie si decembrie. Pentru luna ianuarie diferenta dintre datele masurate si celeestimate este mare, dar aceasta se explica prin faptul ca pentru estimari s-au folosit

medii multianuale. Din anexa VI.3 unde se prezinta estimarile pentru fiecare luna seobserva ca n decembrie 1973, 1974, 1993 precum si n ianuarie 1993 au mai fostvalori mari ale vitezei vntului care sunt comparabile cu rezultatele masuratorilorefectuate de mine n luna ianuarie.

4. Deoarece pentru masuratorile efectuate de mine au fost efectuate din ora n ora am putut sa determin valorile parametrilor caracteristici ai distributiei Weibull pentrulunile noiembrie, decembrie si ianuarie. (vezi tabelul VI.6). Cu ajutorul acestor parametrii am reprezentat distributiile Weibull corespunzatoare fiecarei luni studiate.

5. Cu ajutorul parametrilor distributiei Weibull si tinnd cont de parametrii unei turbineeoliene aleasa de mine ca referinta, s-au cuplat caracteristicile vntului cu cele aleturbinei prin intermediul unor marimi energetice cum ar fi: factorul de disponibilitate,factorul de capacitate precum si randamentul turbinei. Aceste marimi care cupleazacaracteristicile eoliene cu cele ale unei turbine de referinta le-am calculat pentrufiecare luna studiata. Rezultatele sunt prezentate n tabelul VI.7.

6. Din analiza factorului de capacitate se observa ca media acestui parametru pentru celetrei luni este de 0,21. Pentru ca o turbina avnd parametrii considerati de mine sa fierentabil a se plasa n acel loc este necesar ca factorul de capacitate sa fie de minim0,2. Din acest motiv am considerat zona ca fiind interesanta din punct de vedere eoliansi pentru lunile masurate am considerat rentabila generarea energiei electrice dinenergia vntului.

7. n urma rezultatelor experimentale ct si acelor teoretice si odata cu aparitia unorturbine care reusesc sa transforme energia vntului n energie electrica pornind de laviteze de 2,5 m/s, se vede ca plasarea unor turbine de acest tip este rentabila sicontribuie la obtinerea energiei electrice din surse nepoluante. Consider ca astfel decercetari ar merita sa fie extinse si pentru alte orase industriale ale tarii noastre.

8. Din analiza directiei predominante a vntului, verificata si experimental, s-a constatatca Dealurile Oradiei au o pozitionare privilegiata deoarece sunt situate perpendicular pe aceasta directie, asigurnd astfel aparitia unui coeficient de speed-up mare.

Concluzii finale

Zona colinara examinata poate fi considerata interesanta din punct de vedereeolian, si de aceea ar trebui continuate masuratorile pentru a putea da un verdict asuprapotentialului eolian. Tot din analiza statistica a datelor masurate, care ar trebui sa se ntinda pe o perioada de cel putin doi ani se pot determina parametrii turbineirecomandate locului respectiv (naltimea turnului, dimensionarea acumulatorilor, etc.)

Cu toate ca n lunile noiembrie si decembrie nu s-au obtinut diferente mari ntredatele experimentale si cele estimate, puterea energetica este direct proportionala cu v3 si de aceea erori mici referitoare la viteza vntului pot duce la erori mari n privintadensitatii energetice a locului studiat.

n luna ianuarie s-a obtinut o diferenta mare ntre valoarea estimata si cea

masurata. Explicatia consta n faptul ca baza date de la care s-au pornit calculeleestimative se referea la valori medii multianuale. Orice medie tinde sa elimine capetele


23/25

distributiei de frecvente, care n industria eoliana sunt cele mai importante. O altaposibila explicatie a acestei diferente de valori este o posibila modificare a vntozitatiizonei fata de anii anteriori, dar masuratorile efectuate sunt prea putine pentru a maputea pronunta n acest sens.

Aceasta lucrare este, nca o dovada a faptului ca o investitie n domeniul eolian se

face doar pe baza masuratorilor si nu a estimarilor. Toate aceste calcule sunt utilepentru a determina locul n care sa se nceapa o campanie anemometrica, precum sipentru a lua decizia la un moment dat daca sa se continue sau nu adunarea de date.Estimarile sunt utile pentru a face economie de timp, si de bani.


24/25

Bibliografie selectiva

1. Kroly Bondor, Teodor Maghiar, Tar Kroly, Ecaterina Vladu,Titus Deliman, Pop Liviu, Maria Bittenbinder, Carol Medra,

Romulus Reiz , Laviniu Tepelea,Costea Monica ; Vltramenergia elolltsa a fny lthat spektrumbl az ipar szmra2. Costea Monica ; Teodor Maghiar ; A turbulencia mint a szl egy

statisztikai tulajdonsga; Conferinta internationala Ziua europeanaa vntului, Debrecen 15 iunie, 2007

3. Dorin Borota,Mona Costea, Poluarea aerului. Editura Universitatiidin Oradea, 2000, ISBN 973-8083-23-0

4. D. Borota; Mona Costea, Comparative study concerning thequantity and quality of some collected precipitations in thesupervision area (network) of the environment factors in the periodof 1997-1999 (limits iii, iv, v)5. Mona Costea, Statistica pentru stiintele ambientale, curs universitar

6. CEIENV 61400-1: Sistemi di generazione a turbina eolica; Parte I:Prescrizioni di sicurezza

7. Mona Costea, Teodor Maghiar, The influence of the localmicrometeorology in identifying the local wind potential.Colaborari didactice si stiintifice n domeniul surselor de energieregenerabile ntre Universitatea din Oradea si Universitatea dinDebrecen, Editura Universitatii din Oradea, 2007, ISBN 978-973-759-231-6.

8. Mona Costea, Luca Bogdan, Teodor Maghiar, The non exploitedenergy of the turbulences, Colaborari didactice si stiintifice ndomeniul surselor de energie regenerabile ntre Universitatea dinOradea si Universitatea din Debrecen, Editura Universitatii dinOradea, 2007, ISBN 978-973-759-231-6.

9. A.G. Davenport, Applications of statistical concepts to the windloading of structures, Proc. Inst. Civil Engrs, 19, (1961), 449-472

10. E.Simiu, Logarithmic profiles and design wind speeds, J.Engng.Mech.ASCE,99,(1973)

11. Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyi; WindEnergy Handbook

12. C. G. Justus, W.R. Hargraves, A. Mikhail, D. Graber Methods forEstimating Wind

13. K. Couradsen, L.B.Nielsen, L.P. Prahm Review of WeibullStatistics for Estimation of Wind Speed Distribution; Journal ofClimate and Applied Mateorology, Vol 23, 1984

14. Hans A. Panofsky, John A. Dutton, Atmospheric Turbolence Models and Methods for Engineering Application, John

Willey&Soons, 1983, Ney York15. Tinarelli G., Brusasca G., Oldrini O., Anfossi D., Trini Castelli S.,


25/25

Moussafir J. : Micro-Swift-Spray (MSS) a new modelling systemfor the simulation of dispersion at microscale, general descriptionand validation, Proc. of the simulation of dispersion at microscale,general description and validation , Proc of the 27th CCMS-NATOmeeting, Banff (Canada), 25-29 Oct 2004

16. Wiliam Dorner, Using excel for Weibull Analysis17. Zilitinkevich, S.S. (1989): Velocity profiles, the resistance law and

the dissipation of mean flow kinetic energy in a neutrally stablystratified planetary boundary layer. Boundary Layer Meteorol. 46.367-387.

legea wibulll

Documents