Siła wiatru w architekturze

Siła wiatru w architekturze
Anna Drozd
Strukturalne Koło Naukowe
Wydział Architektury
Politechniki Wrocławskiej
Opiekun Koła, promotor pracy:
prof. nadzw. PWr
dr hab. Janusz Rębielak
1. STRESZCZENIE
Praca ta jest wstępem do opracowywanego projektu budynku-elektrowni wykorzystującego
siłę wiatru, jako podstawowe źródło energii. Analiza różnych koncepcji turbin wiatrowych,
aerodynamiki obiektów i sposobów wydajnego wykorzystania nawet niewielkiego podmuchu
wiatru, staje się punktem wyjścia dla opracowania zintegrowanych systemów turbin i konstrukcji
budowlanych.
2. WSTĘP
Wykorzystanie niekonwencjonalnych i odnawialnych źródeł energii staje się coraz
powszechniejsze. Jeśli chodzi o energię wiatru, to była ona wykorzystywana już w starożytności, i
choć została chwilowo wyparta przez energię uzyskiwaną z paliw kopalnych, to obecnie przeżywa
swój renesans.
Wiatr jest energią bezpłatną i czystą, dostępną z różnym natężeniem prawie we wszystkich
rejonach świata. Obecna polityka rozwoju odnawialnych źródeł energii w Polsce kładzie
szczególny nacisk na wykorzystanie tego naturalnego zjawiska, jako sposobu na szybkie
pozyskanie taniej i czystej energii elektrycznej. Jednak większość terenów Polski cechuje tzw.
niska wietrzność, nie wystarczająca dla rentownej pracy standardowych turbin wiatrowych.
Dlatego też, aby wykorzystać potencjał energetyczny tych obszarów, należy poszukiwać nowych
rozwiązań elektrowni wiatrowych.
3. CHARAKTERYSTYKA ENERGII WIATRU
Energia wiatru, z fizycznego punktu widzenia, jest energią pochodzenia słonecznego. To
właśnie słońce pośrednio lub bezpośrednio wpływa na ogrzewanie się mas powietrza w wyniku
promieniowania, przewodzenia i konwekcji. Skutkiem tego są różnice gęstości ogrzanych mas
powietrza, a co za tym idzie - różnice w ciśnieniu. Masy rozgrzanego - rozrzedzonego powietrza
przemieszczają się ku górze, a wytworzone podciśnienie powoduje zasysanie zimnych mas
powietrza. Ocenia się, że będąca wynikiem wyrównywania się w ten sposób różnic ciśnienia
atmosferycznego, energia kinetyczna wiatru to około 1÷ 2% energii promieniowania słonecznego,
czyli w przeliczeniu na moc ok. 2700 TW darmowej, naturalnej i powszechnej energii. Z tego (po
uwzględnieniu strat) obecne możliwości i standardy instalowania siłowni wiatrowych na
powierzchni lądów, mają potencjał energetyczny o mocy 40 TW.
4. OGÓLNA SYTUACJA ENERGETYKI WIATROWEJ W POLSCE
Wśród specjalistów funkcjonują dwie rozbieżne opinie dotyczące rentowności elektrowni
wiatrowych lokalizowanych na terenie Polski.
Pierwsza, tłumaczona jest tym, że jak dotąd wykorzystanie energii wiatru okazało się
największym sukcesem w produkcji energii pochodzącej z odnawialnych źródeł. Uzyskanie w
krótkim przedziale czasu bardzo dużych korzyści w tej dziedzinie było spowodowane
wprowadzeniem na polski rynek już wysoko zaawansowanych technologicznie turbin. Przez co, w
krótkim czasie i bez konieczności poszukiwania nowych technologii, zwiększono udział
odnawialnych źródeł energii w zaspokojeniu zapotrzebowania na energię pierwotną. Opierając się
na tych doświadczeniach opracowano nawet „Strategię Rozwoju Energetyki Odnawialnej w
zakresie wzrostu produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych ze szczególnym
uwzględnieniem energetyki wiatrowej na lata 2003-2005”. Zawarto w niej raport wg, którego
oceniono, że w perspektywie krótko i średnio okresowej, wśród wielu sposobów pozyskiwania
„zielonej energii”, największe możliwości zwiększenia podaży może zapewnić energetyka
wiatrowa.
Druga opinia, dotycząca rentowności elektrowni wiatrowych w Polsce, podważa ich
opłacalność, opierając się na analizie wietrzności. Mimo, że atlas pokazuje, iż na większości
obszarów panują korzystne warunki wiatrowe, to praktycznie siła wiatru przekracza na tych
terenach 4m/sek tylko sezonowo, a wartość tą uznaje się za minimum potrzebne do pracy urządzeń
prądotwórczych standardowych wiatraków energetycznych. T. Kowalik twierdzi nawet, że takich
obszarów jest zdecydowanie mniej, a przeważają tereny o niskiej wietrzności. Konsekwencją
takich warunków wiatrowych może być dosyć niska rentowność elektrowni wiatrowych w Polsce,
jak twierdzą np. specjaliści z Politechniki Szczecińskiej. Ponieważ tereny, które cechują wyższe i
bardziej korzystne warunki wiatrowe, stanowią niewielką część powierzchni kraju (w większości
jedynie terenu Pomorza), rola energii wiatrowej w bilansie energetycznym Polski (wg drugiej
opinii) będzie w przyszłości pomijalnie mała, a obecny wzrost rentowności tej gałęzi energetyki
był jedynie krótkotrwały.
5. PRZYSZŁOŚCIOWE KONCEPCJE WYKORZYSTANIA ENERGII WIATRU
Fakt, iż duży potencjał wiatrowy cechuje
jedynie niewielką część obszarów Polski, co
znacznie ogranicza możliwości lokalizowania
standardowych elektrowni wiatrowych oraz ich
rentowność,
nie
pomyślnego
rozwoju
powinien
przekreślać
wykorzystania
tego
„surowca” naturalnego w Polsce.
Obecnie za przyszłościowe uważa się
technologie
wykorzystujące
siłę
wiatru
o
prędkości niższej niż 4m/s. I choć do tej
pojawiły się nieliczne opracowania na ten
temat,
a
w
porównaniu
z
tradycyjnymi
rozwiązaniami stanowią one wciąż niewielki
Rysunek 1. Strefy energetyczne wiatru w Polsce.
Mapa opracowana przez prof. H. Lorenc na podstawie
danych pomiarowych z lat 1971-2000.
procent obecnych instalacji, to w najbliższej przyszłości, mogą stać się one prostym wydajnym i
powszechnym sposobem pozyskiwania „czystej” energii.
5.1 Zastosowanie turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu
Turbiny o pionowej osi obrotu nieraz znajdują duże uznanie jako opozycja dla konstrukcji o
poziomej osi obrotu. Ponieważ prace nad tego typu wiatrakami nie postępowały w takim tempie
jak nad tradycyjnymi „śmigłami”, obecnie istnieją niezbyt liczne zastosowania tego typu turbin w
praktyce, a rynek w większości został zajęty przez firmy proponujące standardowe rozwiązania.
Mimo, że koncepcje tego typu rozwiązań (nawet można określić je mianem „wariacje na
temat”), często pozostają nadal w fazie prototypów, bądź też są wykorzystywane na niewielką
skalę. Kilka światowych firm opracowało już własne technologie z wykorzystaniem
konkurencyjnych turbin o poziomej osi obrotu.
Różne rodzaje turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu
Z wszelkiego rodzaju publikacji wynika, że wirniki tego typu mogą z powodzeniem
produkować energię już przy wietrze o prędkości 3m/s. Przy tym mogą funkcjonować niezależnie
od kierunku wiatru i nie wymagają dodatkowych urządzeń nakierowujących. Tego typu turbiny
wykazują znacznie większą wydajność w porównaniu do wirników o poziomej osi obrotu i
podobnych rozmiarach, przy czym w przeciwieństwie do tych drugich produkują znacznie mniej
hałasu. Mimo to nie zawsze zyskują sobie zwolenników głównie dlatego, że rynek elektrowni
wiatrowych został już dawno opanowany przez tradycyjne „śmigła”, a ten typ technologii wciąż
traktowany jest jedynie jako pewnego rodzaju „niepotrzebne udziwnienie”.
5.2 Wykorzystanie zasady działania dyfuzora
Dyfuzor to przewód (rura) o zmienionym przekroju używana w
celu zmiany ciśnienia
(energii kinetycznej na potencjalną i przeciwnie). Dyfuzory są obecnie
powszechnie
wykorzystywane między innymi w tunelach aerodynamicznych i wlotach
powietrza
odrzutowego. Znajdują bardzo szerokie zastosowanie, ponieważ dzięki
nim można dowolnie
zmieniać ciśnienie, a co za tym idzie, prędkość przepływu mas
powietrza. Dzięki tej
własności znalazły one swoje miejsce również w technologii budowy
turbin wiatrowych.
JAK DZIAŁA DYFUZOR? - Zgodnie z prawem zachowania masy,
masa powietrza na początku „rury” o zmiennym przekroju jest taka sama
silnika
Turbina o osi poziomej
wyposażona w dufuzor
jak na jej końcu, a zatem taka sama w dowolnym jej miejscu, co obrazuje zależność (Rys.2):
ρV1A1= ρV2A2
czyli
V1A1= V2A2
(2.1)
Rys.2
W rurze, w której występują zmiany średnicy zmienia się również prędkość przepływu
gazu. W związku z tym jeśli tradycyjny wirnik zostanie umieszczony w tunelu (a dokładnie w jego
przewężeniu) będzie on wirował w powietrzu przepływającym szybciej niż wiatr poza tunelem.
Dzięki temu da więcej energii niż wirnik bez otunelowania.
WNIOSKI - Stosując dyfuzor w kształcie zwężającej się „rury” można znacznie zwiększyć
sprawność turbiny przy jednoczesnym obniżeniu granicy minimalnej prędkości wiatru. Jest to
efekt zwiększenia powierzchni wykorzystywanej przez wiatrak w procesie produkcji energii.
Zaletą tego rozwiązania jest również eliminacja strat energii powstające w wyniku tworzenia się
odśrodkowej strugi powietrza. Dodatkowo, jeśli w tego typu rozwiązaniu zastosujemy również
poszerzający się przekrój dyfuzora za turbiną, to uzyskamy również podciśnienie „zasysające”
powietrze.
Rys.3. Porównanie powierzchni skutecznie wykorzystywanej przez turbinę
5.3 Koncepcja budowy multiaerogeneratora
Koncepcja stosowania multiaeroagregatorów polega na
jednoczesnym zestawianiu od 7 od 37 turbin wiatrowych na
jednej konstrukcji nośnej. Rozmieszczenie wielu pracujących
obok siebie niewielkich wiatraków pozwala na ograniczenie
negatywnego wpływu odśrodkowej strugi powietrza jedynie do
elementów skrajnych. Powoduje to lepsze wykorzystanie
energii
wiatru
jednocześnie
przy
mniejszej
prędkości
minimalnej niezbędnej do wytwarzania energii. Szacuje się, że tego typu rozwiązania są w stanie
pracować już przy wietrze o prędkości 2,5m/s. Przy tym
Rys.4. Przykład zestawienia turbin
w formę multiaerogeneratora
zastosowanie mniejszych turbin pozwala znacznie zmniejszyć
koszta całości inwestycji w porównaniu z tradycyjnymi jednoosiowymi rozwiązaniami.
6. ZAGADNIENIE AERODYNAMIKI W BUDOWNICTWIE
Aerodynamika w budownictwie jest często określana w Polsce dla odróżnienia mianem
aerodynamiki terenowej, zajmuje się zjawiskami związanymi z przemieszczaniem się mas
powietrza na terenie zabudowanym oraz bada i analizuje skomplikowane interakcje w zależności
wiatr-budynek. „Jest to -jak mówił Michał Leśniewski- nauka interdyscyplinarna, w której
podstawowa wiedza na temat aerodynamiki została powiązana z urbanistyką, budownictwem oraz
ochroną środowiska.” Zagadnienia, jakimi się zajmuje aerodynamika terenowa to między innymi:
-
obciążenia wiatrem elewacji obiektów budowlanych (wartości statycznych i dynamicznych
obciążeń; określanie współczynników aerodynamicznych)
-
zanieczyszczenia powietrza (rozpraszanie skażonego powietrza wokół budynków;
minimalizowanie zanieczyszczeń dymami w przypadku terenów przemysłowych)
-
przepływ powietrza przez budynek (naturalna wentylacja; perforacja elewacji)
-
miejski mikroklimat (wiatry na wysokości pieszego; komfort człowieka na zewnątrz
obiektu; tworzenie się zamieci śnieżnych itd.)
Jako dziedzina ogólnie postrzeganej aerodynamiki, aerodynamika terenowa, już od dawna
znajdowała zainteresowanie wśród inżynierów. Mimo to w Polsce jej początki obserwuje się
dopiero w latach sześćdziesiątych. Wtedy to po raz pierwszy zajęto się jej badaniem na Wydziale
Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Prof. Ostrowski kierujący
całością przedsięwzięcia, był wtedy pionierem aerodynamiki terenowej w Polsce, a w swoich
początkach była to jeszcze osobliwa nauka i nie zawsze spotykała się z zainteresowaniem i
zrozumieniem ze strony inżynierów.
Sytuacja zmieniła się dopiero na początku lat 80, kiedy to zawiązała się grupa naukowców,
w skład której weszli specjaliści z zakresu aerodynamiki, architektury, klimatolodzy, a nawet
zoolodzy. Efektem ich prac miało być wzorcowe osiedle Białołęka. To było pionierskie
przedsięwzięcie, do którego realizacji całościowej jednak nie doszło. Jednak dzięki niemu
zagadnienie
aerodynamiki
obiektów
budowlanych
i
miast
zostało
lepiej
poznane
i
rozpowszechnione wśród inżynierów i architektów na terenie Polski.
7. MOŻLIWOŚCI JEDNOCZESNEGO WYKORZYSTANIA AERODYNAMIKI OBIEKTÓW
BUDOWLANYCH I TECHNOLOGII ENERGETYKI WIATROWEJ
Wiadomo, że dzięki odpowiedniemu wykorzystaniu wiedzy z dziedziny aerodynamiki
możemy świadomie sterować przepływem powietrza. Zmieniać jego kierunek, ciśnienie i prędkość
zarówno w małej jak i w dużej skali. To, jakie znajdziemy zastosowanie dla tej wiedzy, pozostaje
jedynie kwestią naszej inwencji twórczej i pomysłowości.
Faktem jest to, że energia kinetyczna poruszających się mas powietrza posiada nieraz dosyć
duży potencjał. Jest to wartość, którą możemy w pewnych warunkach świadomie regulować
poprzez zmienianie prędkości wiatru i wykorzystywać w dowolny sposób, tym bardziej, że jest to
energia darmowa.
7.1 Przykłady istniejących projektów teoretycznych
W ostatnich latach powstała pewna liczba koncepcji
zastosowania
wiatrowej.
konstrukcji
Większość
budowlanych
tych
w
energetyce
teoretycznych
rozwiązań
wykorzystuje zjawisko powszechnie występujące w kominach.
Tzw. „cug” ma miejsce wtedy, kiedy połączymy przewodem
ośrodek o niższym ciśnieniu atmosferycznym z ośrodkiem o
ciśnieniu wyższym. Powstały w ten sposób ruch mas powietrza
Rys.5. Schemat zasady działania komina
będzie efektem wyrównywania się różnicy ciśnień.
Jeśli wykorzystamy osiągnięcia inżynierii wysokościowej i zbudujemy wysoką konstrukcję
w formie komina, natomiast wewnątrz umieścimy ogromne turbiny, to teoretycznie uzyskamy
nadzwyczaj wydajną „elektrownię”. Ten pomysł wykorzystuje koncepcja budynku-komina
opracowana przez prof. Zasławskiego we współpracy z konstruktorem Michael’em Burt’em.
Obiekt o średnicy podstawy równej 400m i wysokości 1400km miałby być zlokalizowany na
terenach pustynnych w pobliżu dużych zbiorników wodnych. Ogrzane przy powierzchni ziemi
powietrze miało się unosić się wewnątrz tego „komina”, natomiast całość w szczytu miała być
dodatkowo schładzana wodą poprzez spryskiwanie. Oszacowano nawet, że można by było uzyskać
w ten sposób energię nawet rzędu stu kilowatów mocy.
Drugi przykład koncepcji o jakiej należy tu wspomnieć to projekt J Schleich’a,
wykorzystujący analogiczne zjawiska jak wymieniony wcześniej. W tym przypadku, zamiast
schładzania szczytu konstrukcji w celu zwiększenia ciągu, zaproponowano wybudowanie przy
powierzchni terenu otwartej na boki szklarni o wymiarach ok. 10km2. W ten sposób uzyskano
(oczywiście wciąż jedynie teoretycznie) podobne parametry wydajności przy jednoczesnej redukcji
wysokości „komina”, którego wlot zlokalizowano pośrodku szklarni.
7.2 Opis projektu
IDEA PROJEKTU jest przykład połączenia energetyki wiatrowej z architekturą w postaci
tzw. budynku-elektrowni. Założenie projektowe traktuje obiekt budowlany jako przeszkodę
(barierę) na drodze poruszających się mas powietrza. Natomiast celem projektu jest takie
aerodynamiczne ukształtowanie formy budynku, aby maksymalnie zwiększyć powstające
prędkości przepływu powietrza przez strukturę (tzw. „przeciągi”), w miejscach w których będą
umieszczone turbiny wiatrowe. W ten sposób możliwe byłoby pozyskiwanie energii nawet przy
wietrze o teoretycznie małej prędkości, bez konieczności budowania dodatkowych zbędnych
struktur. Sam budynek byłby rodzajem wielkiego dyfuzora dla dużej ilości niewielkich i
cichobieżnych wirników, a uzyskana energia zapewniałaby mu samowystarczalność energetyczną.
Nadwyżki w produkcji energii
mogłyby być przekazywane/sprzedawane lokalnej sieci
energetycznej.
FORMA ściśle zależy od skali i rodzaju zastosowanych turbin, mocy jaką należałoby
uzyskać oraz oczywiście od wybranej funkcji obiektu.
MIEJSCE musi cechować niska klasa szorstkości terenu. Najbardziej ekonomiczną
lokalizacją wydają się być otwarte tereny w pobliżu większych miast, w miejscach gdzie koszt
doprowadzenia infrastruktury technicznej (uzbrojenia terenu) jest bardzo duży.
OGRANICZENIA I WYMAGANIA: Turbiny instalowane na/przy obiektach budowlanych,
przeznaczonych na stały lub czasowy pobyt ludzi musiałyby spełniać odpowiednie/określone
wymogi techniczne. Drgania i hałas powodowane pracą turbiny musiałyby być minimalizowane
poprzez zastosowanie odpowiednich wirników. Ponieważ jednak nie można tych zjawisk
wyeliminować
zupełnie,
projektowany
budynek,
który
miałby
tymczasowo
charakter
eksperymentalny, nie mógłby być budynkiem mieszkalnym. Jednak w przyszłości, po
przeprowadzeniu serii eksperymentów, nie wyklucza się dopuszczenia takiej możliwości. Dałaby
ona dowolność kształtowania samowystarczalnych energetycznie jednostek mieszkaniowych,
niezależnych od całości infrastruktury miejskiej.
motto projektu brzmi:
„ odpowiednie sterowanie przepływem powietrza może przynieść wiele korzyści. Należy tylko je
dostrzec i zastosować,” prof. Ostrowski
Opracowanie to jest częścią dokładniejszej analizy zjawiska, jakim jest wiatr, technologii
związanych z wykorzystaniem jego energii oraz obecną sytuacją energetyki wiatrowej w Polsce i
na świecie. Studia przeprowadzone pod kątem opracowywanego na Wydziale Architektury
Politechniki Wrocławskiej projektu dyplomowego, rozważają również pojęcie aerodynamiki
obiektów budowlanych, które przedstawiono tutaj jedynie w kilku najistotniejszych aspektach.
Całość ma na celu przybliżenie problematyki projektu i zagadnień z nim związanych. Należy
zaznaczyć jednak, że z uwagi na formę niniejszego opracowania, porusza ono jedynie wybrane
tematy.
Wszystkich zainteresowanych serdecznie zapraszam
na prezentację całości opracowania oraz projektu
Wrocław 2003/2004
8. LITERATURA
-
Lewandowski Witold M., ”Proekologiczne źródła energii odnawialnej”, Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, 2001
-
Le Chapellier Pierre, „Le vent, les eoliennes et l’habitat”, Editions Eyrolles, Paris, 1981
-
Rynek Instalacyjny, 12.1999, „Rentowność elektrowni wiatrowych”, dr inż. Zdzisław Kusto,
Politechnika Gdańska, Wydział Elektrotechniki i Automatyki
-
„Aerodynamika w architekturze i budownictwie”, E. I. Riettier, Moskwa, 1984
-
Szymocha Kazimierz, Zabokrzycki Janusz J., „Elektrownie i ich urządzenia”, Politechnika
Wrocławska, Wrocław, 1980
-
Melargano Michele, „Wind in architectural and environmental design”, 1989
-
International Journal of Space Structures Vol. 7 No. 3 , “Another Vision of the Mile High
Skyscraper, Josef Dragula, 1992
-
Projekt Ministerstwa Środowiska, „Pilotowy program wykonawczy do strategii rozwoju
energetyki odnawialnej w zakresie wzrostu produkcji energii elektrycznej ze źródeł
odnawialnych ze szczególnym uwzględnieniem energetyki wiatrowej na lata 2003-2005”,
Warszawa, wrzesień 2002r.
-
opracowanie „Energia dla przyszłości - odnawialne źródła energii w bilansie energetycznym
krajów Unii Europejskiej i USA” Stanisław M. Pietruszko, Politechnika Warszawska, Biuro
Informacji i Dokumentacji Senackiej Kancelarii Senatu Ekspertyza OT-242, maj 1999
-
Kowalik T., "Naga prawda i to pod wiatr", Biuletyn Polskiego Klubu Ekologicznego 7(54),
PKE, Kraków, 1998