vėjo greičio kitimo dėsningumų lietuvos pajūrio regione...

energetika. 2009. t. 55. nr. 1. P. 27–34© lietuvos mokslų akademija, 2009© lietuvos mokslų akademijos leidykla, 2009

Vėjo greičio kitimo dėsningumų Lietuvos pajūrio regione tyrimas

Planuojama, kad 2010 m. vėjo elektrinių parkų bendra įrengtoji galia Lietuvoje pasieks 200 MW. Didžiausią dalį vėjo elektrinių parkų numatoma įrengti Lietuvos pajūryje, kur vėjo ištekliai yra didžiausi. Iki šiol vėjo energijos ištekliai Lietuvoje buvo vertinami pagal atliktus pavienius vėjo greičio matavimus bei meteorologijos stočių duomenis. Lietuvoje sparčiai populiarėjant vėjo energetikai, reikalingi sistemingi fundamentiniai vėjo energijos išteklių kaitos tyrimai, ypač pajūrio regione, kur numatyta įrengti daugiausia vėjo elektrinių parkų. Šiame darbe atlikta vėjo greičio ir krypties matavimo 2001–2002 m. duomenų Giruliuose, prie Kretingos, Vilkyčių ir Tauragės statistinė analizė, išanalizuoti šių parametrų kitimo dėsningumai bei nustatytas vėjo greičio pasiskirstymas Lietuvos pajūrio regione. Nustatyta, kad įvairiose Lietuvos pajūrio regio-no vietovėse vėjo jėgainių vėjaračio aukštyje vėjingumo sąlygos yra panašios, o vėjo parametrų kitimo dėsningumus labiausiai lemia atstumas nuo jūros ir pajūrio topografija. Dėl pakrantės topografijos poveikio vidutinis nuo jūros pučiančio vėjo greitis 100 m aukštyje 20 km atstumu nuo pakrantės sumažėja apie 22 %, lyginant su vėjo greičiu ties jūros pakrante.Raktažodžiai: atsinaujinantieji energijos ištekliai, vėjo energija, vėjo jėgainės

Mantas Marčiukaitis,

Regina Erlickytė-Marčiukaitienė,

Algis Tumosa

Lietuvos energetikos institutas, Breslaujos g. 3, LT-44403 Kaunas El. paštas: [email protected]

1. ĮVADAS

2007 m. Lietuvoje iš atsinaujinančiųjų energijos šaltinių buvo pagaminama apie 4,7 % visos suvartojamos elektros energijos. Pagal ES direktyvos 2001/77/EC [1] reikalavimus Lietuva yra įsi-pareigojusi iki 2010 m. šią dalį padidinti iki 7 %. Elektros energi-jos gamybos iš atsinaujinančiųjų energijos šaltinių padidėjimas labiausiai siejamas su vėjo energetikos plėtra: numatoma, kad 2010 m. vėjo elektrinių (VE) parkų bendra įrengtoji galia Lie-tuvoje sudarys 200 MW [2]. Vėjo energetikos plėtra numatyta Lietuvos pajūryje, kur vėjo energijos ištekliai yra didžiausi. Ta-čiau VE darbo efektyvumas ir pagaminamos energijos kiekis priklauso nuo vietovės, kurioje įrengtas VE parkas, sąlygų, todėl vienas pagrindinių vėjo energetikos plėtros etapų yra vėjo ener-gijos išteklių pasiskirstymo įvertinimas parenkant vietas naujų VE parkų statybai. Šiam tikslui turi būti atliekami vėjo greičio ir krypties matavimai bei jų statistinė analizė.

Pirmieji vėjo greičio ir krypties matavimo duomenų tyrimai buvo atliekami remiantis hidrometeorologijos stočių matavimo duomenimis 10 m aukštyje virš žemės paviršiaus, apskaičiuoti vidutiniai daugiamečiai vėjo greičiai ir sudarytas vėjo greičio pa-siskirstymo Lietuvos teritorijoje 10 m aukštyje žemėlapis [3]. Pa-gal šį žemėlapį didžiausias vėjo energijos potencialas (> 5,5 m/s) yra Lietuvos pajūryje, o mažiausias (< 2,5 m/s) – Rytų ir Pietry-čių Lietuvoje.

Nuo 1995 m., Giruliuose iškėlus modernią vėjo parametrų matavimo įrangą, atlikta nemažai darbų, susijusių su šių mata-vimo duomenų statistine analize ir vėjo energijos išteklių įverti-nimu [4–9]. Nustatyta, kad 1995–2003 m. vidutinis vėjo greitis 50 m aukštyje Giruliuose siekė 6,4 m/s.

1996–1997 m. mokslinė inovacinė bendrovė „Eksponentė“ kartu su Norvegijos elektros įmone „Nord Trondelag Elektrisi-tetsverk“ bei Norvegijos energetikos technologijų institutu Bū-tingėje atliko vėjo greičio matavimus 30 m aukštyje. Išanaliza-vus matavimo duomenis, nustatyta, kad vidutinis metinis vėjo greitis 50 m aukštyje siekia 7,4 m/s [10].

2001–2002 m. tarptautinio projekto “Regional Baltic Wind Energy Programme” metu Lietuvos pajūryje, prie Kretingos, Vilkyčių ir Tauragės buvo atlikti vėjo greičio ir krypties ma-tavimai [11]. Pagal šiuos matavimo duomenis apskaičiuoti Weibullo parametrai, nustatytas vėjo krypčių pasiskirstymas, sudarytas Lietuvos vėjo greičio pasiskirstymo 50 m aukštyje žemėlapis.

Visi šie tyrimai rodo, kad Lietuvoje vėjo energijos išteklių pasiskirstymas nagrinėtas mažai, atliktas pirminis vėjo energi-jos išteklių įvertinimas. Atliktų tyrimų duomenys leidžia teigti, kad didžiausios perspektyvos vėjo energetikos plėtrai Lietuvoje yra kelių dešimčių kilometrų pločio pajūrio ruožas, o žemyni-nėje dalyje vėjingumo sąlygos ne tokios palankios. Taip pat gali-ma apytiksliai įvertinti, kaip kinta vidutinis vėjo greitis Lietuvos teritorijoje tolstant nuo Baltijos jūros. Tačiau esamų duomenų ir vėjo greičio pasiskirstymo žemėlapių VE statytojams nepa-kanka, norint suplanuoti būsimų VE parkų energijos gamybos kiekius ir parinkti jiems vietą. Lietuvoje sparčiai populiarėjant vėjo energetikai, reikalingi sistemingi fundamentiniai vėjo ener-gijos išteklių kaitos tyrimai, ypač pajūrio regione, kur numatyta įrengti daugiausia VE parkų.

Šio darbo tikslas – ištirti vėjo greičio ir krypties kitimo Lie-tuvos pajūrio regione dėsningumus, atsižvelgiant į žemės pavir-šiaus šiurkštumą ir reljefą vakarinėje Lietuvos dalyje.

Mantas Marčiukaitis, Regina Erlickytė-Marčiukaitienė, Algis Tumosa28

2. TYRIMŲ OBJEKTAI IR DUOMENŲ ANALIZĖS METODAI

Tyrimų objektais pasirinktos vietovės (Giruliuose, prie Kretin-gos ir Vilkyčių) Lietuvos pajūrio regione (1 pav.), kuriose buvo atlikti vėjo parametrų matavimai. Pajūrio regionu šiame darbe laikomas apie 20 km pločio Lietuvos pajūrio ruožas. Vėjo ištek-lių palyginimui pajūryje ir toliau nuo jūros pasirinkta matavimo vieta netoli Tauragės.

Vėjo matavimai Giruliuose atlikti Lietuvos energetikos insti-tuto Atsinaujinančių energijos šaltinių laboratorijos mokslinin-kų. Vėjo išteklių analizei ir skaičiavimams naudoti 1 metų lai-kotarpio (2001 m. gegužės – 2002 m. balandžio) vėjo parametrų matavimo duomenys. Matavimo įranga pritvirtinta prie Girulių televizijos bokšto, stovinčio ant kalvos, iškilusios 24 m virš jūros lygio, 1,5 km atstumu nuo Baltijos jūros.

Vėjo greičio ir krypties matavimai prie Kretingos, Vilkyčių ir Tauragės atlikti Danijos mokslininkų, vykdant tarptautinį projektą „The UNDP / GEF Regional Baltic Wind Energy Pro-gramme“ [11]. Matavimų laikotarpis prie Kretingos ir Vilkyčių sutampa su matavimų Giruliuose laikotarpiu (2001 m. gegu-žė – 2002 m. balandis). Prie Tauragės vėjo parametrai matuoti

nuo 2001 m. spalio iki 2002 m. rugsėjo pabaigos. Vėjo paramet-rų matavimo aukščiai pateikti 1 lentelėje.

Matavimo prie Kretingos įrangos vieta – apie 4 km į rytus nuo Palangos. Įranga buvo pritvirtinta prie telekomunikacijų antenų bokšto. Vėjo parametrų matavimo prie Vilkyčių įrangos vieta – apie 25 km į pietus–pietvakarius nuo Klaipėdos, prie Vil-kyčių kaimo. Matavimo įranga buvo pritvirtinta prie mobiliojo ryšio antenų bokšto. Vėjo išteklių pajūryje ir toliau nuo jūros palyginimui vėjo parametrų matavimo vieta pasirinkta prie Tauragės, nuo jūros nutolusi apie 50 km, apie 15 km į pietvaka-rius nuo Tauragės. Matavimo įranga pritvirtinta prie specialiai tam tikslui vertikaliai pastatytos keltuvo (krano) strėlės. Visose vietovėse vėjo greičio matavimai atlikti „kaušelių“ tipo anemo-metrais, tyrimams naudoti 10 min. vėjo greičio ir krypties mata-vimo duomenų vidurkiai.

Vėjo matavimo duomenų statistinė analizė atlikta specialia programa WAsP. Ši programa sukurta Danijos Risoe DTU moks-lininkų Europos vėjo atlasui sudaryti [12–14] ir yra standartinė vėjo matavimo duomenų analizės ir vėjo išteklių pasiskirstymo skaičiavimo programa.

Taikant WAsP programą, vėjo greičio matavimo duomenys buvo apibendrinti Veibulo pasiskirstymo funkcija:

1 pav. Tyrimo objektų išsidėstymas Lietuvos pajūrio regione (1 – prie Kretingos, 2 – Giruliuose, 3 – prie Vilkyčių, 4 – prie Tauragės)

1 l e n t e l ė . Vėjo matavimo įrangos aukštis tyrimo objektuoseGiruliuose Prie Kretingos Prie Vilkyčių Prie Tauragės

Viršutinio anemometro aukštis m 50 27,5 43 28Apatinio anemometro aukštis m 30 15 21,5 15

Vėjo krypties matavimo įrangos aukštis m 30 27,5 43 26

Vėjo greičio kitimo dėsningumų Lietuvos pajūrio regione tyrimas 29

(1)

čia f (u) – vėjo greičio u pasiskirstymo funkcija; A ir k – Veibulo parametrai, atitinkamai vadinami dydžio ir formos parametrais, apskaičiuojami mažiausių kvadratų metodu.

Nustačius Veibulo parametrus, apskaičiuotas vidutinis vėjo greitis ((2) formulė) ir galios tankis ((3) formulė):

(2)

čia Г – Eulerio gama funkcija;

(3)

čia E – vėjo galios tankis [W/m2], ρ – oro tankis [~1,225 kg/m3], uvid – vidutinis vėjo greitis [m/s].

Vėjo krypties pasiskirstymas vietovėse buvo įvertintas suda-rant vadinamąją vėjų rožę.

Vėjo greitis iš vieno aukščio į kitą perskaičiuotas pagal loga-ritminį dėsnį:

(4)

čia u (z) – vėjo greitis aukštyje virš žemės paviršiaus z, κ – Kar-mano konstanta, lygi 0,4 [15, 16]; z0 – žemės paviršiaus šiurkš-tumo ilgis; u* – trinties greitis.

3. VĖJO GREIČIO PASISKIRSTYMO LIETUVOS PAJŪRIO REGIONE ĮVERTINIMAS

3.1. Vėjo parametrų matavimo duomenų statistinė analizėTam tikros vietovės vėjo greičio pasiskirstymą tiksliausiai atspin-di daugiamečiai matavimo duomenys. Lietuvos meteorologijos stotyse matavimai kas 3 valandas atliekami kelias dešimtis metų, tačiau jose registruojami momentiniai vėjo greičiai, o pateikiamas vidutinis mėnesių ir metų vėjo greitis yra aritmetinis vidurkis. Dėl šios priežasties meteorologijos stočių duomenys panaudoti tik trumpalaikių matavimo duomenų statistiniam koregavimui.

Tikslesnis vėjo greičio, krypties ir energijos pasiskirstymo įvertinimas atliekamas naudojant standartinius 10 min. vėjo matavimo duomenų vidurkius, pagal kuriuos atliekama statisti-nė analizė ir apskaičiuojami Veibulo parametrai. Išsamiai vieto-vės vėjingumo analizei turi būti naudojami ne trumpesnio kaip vienerių metų laikotarpio matavimo duomenys.

Dėl vėjo greičio nepastovumo ir sezoninių svyravimų atski-rų metų vidutiniai vėjo greičio duomenys gali žymiai skirtis. Į tai reikia atsižvelgti norint, kad statistiškai apdoroti duomenys atspindėtų ne konkrečių metų, o daugiametį (>10 metų) vėjo greičio ir energijos pasiskirstymą. Ši problema išspręsta pa-naudojant artimiausios, panašaus vėjingumo regione esančios meteorologijos stoties daugiamečius vėjo matavimo duomenis. Atliekant statistinę analizę, vėjo greičio vidurkis pakoreguotas pagal trumpalaikio ir daugiamečio vidurkių santykį.

Regiono vėjingumą atspindinčių transformuotų duomenų tikslumas priklauso ne tik nuo matavimo aukščio, bet ir nuo regiono reljefo, topografinio sudėtingumo ir kliūčių buvimo aplink matavimo įrangą. Kuo reljefas sudėtingesnis (kalvos, kal-nai, slėniai ir pan.), tuo duomenų patikimumas mažesnis ir tuo mažesnę teritoriją šie duomenys atspindi, nes WAsP programos modeliai srautų atitrūkimo nemodeliuoja ir geriausiai tinka vėjo srautų modeliavimui virš palyginti lygaus paviršiaus. Lietuvos pajūrio regione reljefas nesudėtingas (nustatyta pagal LTD-BK: 50000 duomenis), todėl WAsP tinka pakankamai tiksliam vėjo greičio pasiskirstymo ir energijos išteklių įvertinimui.

Girulių matavimo duomenų statistinė analizė. Girulių vėjo greičio ir krypties matavimo duomenų statistinei analizei nau-doti 2001 m. gegužės – 2002 m. balandžio 50 m aukštyje virš žemės paviršiaus registruoti 10 min. vėjo greičio vidurkiai. Ana-lizės rezultatai rodo, kad vėjo greičio pasiskirstymas gana gerai aproksimuojamas Veibulo pasiskirstymo funkcija. Apskaičiuotas vidutinis vėjo greitis 50 m aukštyje siekia 6,37 m/s, o dažniau-sios vėjo kryptys (38 %) – vakarų (2 pav.).

Gauti rezultatai atspindi tik matavimo laikotarpio (2001–2002 m.) vėjingumo sąlygas. Daugiamečiam vėjo greičio ir energijos pasiskirstymo įvertinimui Girulių matavimo duo-menys buvo perskaičiuoti naudojant Klaipėdos meteorologijos stoties daugiamečių (1981–1990, 1993–1998 m. ir nagrinėjamo laikotarpio duomenų sekos) vėjo greičio matavimų vidurkio ir trumpalaikio vidurkio santykį. Apskaičiuota, kad daugiametis

2 pav. Girulių vėjo parametrų matavimo duomenų 50 m aukštyje statistika (a – vėjų rožė, b – Veibulo pasiskirstymo funkcija)


vėjo greičio vidurkis lygus 6,15 m/s, o trumpalaikis – 6,37 m/s. Daugiametis vėjo greičio vidurkis perskaičiuotas 50 m aukščiui naudojant paviršiaus šiurkštumo reikšmę z0 = 0,1.

Norint nustatyti vertikalų vėjo greičio pasiskirstymą, re-miantis statistiškai apdorotais matavimo duomenimis, WAsP programa buvo sudaryta regioninio vėjingumo lentelė, kurioje pateikiami ekstrapoliuoti statistiniai vėjo parametrų duomenys (Weibullo parametrai, vidutinis vėjo greitis ir vėjo galios tan-kis) standartinėms sąlygoms: keturioms paviršiaus šiurkštumo klasėms ir penkiems aukščiams (50, 75, 100, 150 ir 200 m) virš žemės paviršiaus. Transformuojant duomenis WAsP modeliais pašalinta vietinės topografijos (reljefo, paviršiaus šiurkštumo pokyčių ir kliūčių) įtaka, todėl gauti duomenys atspindi didelio regiono vėjingumą. Apskaičiuoti parametrai 100 m aukščiui pa-teikti 2 lentelėje.

Lentelėje pateikti duomenys atspindi bendrus vėjo srautų kaitos dėsningumus: kuo didesnis paviršiaus šiurkštumas, tuo vėjo šlytis didesnė ir vėjo greitis mažesnis. 100 m aukštyje, esant paviršiaus šiurkštumui z0 = 0,03, vidutinis vėjo greitis viršija 7 m/s. Tai rodo labai palankias vėjingumo sąlygas vėjo energe-tikos vystymui. Skaičiavimų neapibrėžtis nustatyta palyginus skaičiavimų rezultatus pagal vėjo greičio matavimo duomenis iš dviejų aukščių – 50 m ir 30 m.

Matavimo įranga pritvirtinta prie Girulių televizijos bokš-to, kurį supa keli pastatai, galėję turėti įtakos vėjo parametrų matavimo duomenims. Siekiant kuo tiksliau įvertinti kliūčių įtaką vėjo srautui, buvo sudaryta aplink bokštą esančių pastatų schema, pagal kurią WAsP apskaičiuoja korekcijos koeficientus kliūčių įtakai vėjo srautams įvertinti. Sudarius kliūčių schemą regioninio vėjingumo lentelė buvo perskaičiuota, tačiau jokių parametrų pokyčių nenustatyta. Tai greičiausiai sietina su WAsP programos apribojimais, nes programa neįvertina vėjo srauto pokyčių, jei kliūtis yra arčiau nei per 5 kliūties aukščius.

Matavimo prie Kretingos duomenų statistinė analizė. Mata-vimo vietoje prie Kretingos vidutinis vėjo greitis 27,5 m aukštyje siekė 6 m/s, o nustatytos vyraujančios vėjo kryptys yra vakarų–pietvakarių [11]. Pagal logaritminį dėsnį ((4) formulė) vidutinį vėjo greitį perskaičiavus 50 m aukščiui, nustatyta, kad jis siekia

6,64 m/s ir yra panašus į Giruliuose išmatuotą vidutinį vėjo grei-tį (6,37 m/s).

Kadangi apskaičiuotas vidutinis vėjo greitis atspindi tik 2001–2002 m. vėjingumo sąlygas, daugiamečiam vėjo greičio ir energijos pasiskirstymo įvertinimui matavimo prie Kretingos duomenys buvo perskaičiuoti naudojant Klaipėdos meteorologi-jos stoties daugiamečių vėjo greičio matavimų vidurkio ir trum-palaikio (2001 m. gegužė – 2002 m. balandis) vėjo greičio vi-durkio santykį. Perskaičiuoti duomenys 100 m aukščiui pateikti regioninio vėjingumo lentelėje (žr. 2 lentelę). Lentelėje pateikti duomenys atspindi panašius vėjo parametrų pasiskirstymo dės-ningumus ir leidžia teigti, kad prie Kretingos, kuri yra šiek tiek toliau nuo jūros nei Giruliai, vėjo ištekliai yra panašūs – viduti-nis vėjo greitis didesnis apie 0,2 m/s.

Matavimo prie Vilkyčių duomenų statistinė analizė. Mata-vimo vietoje prie Vilkyčių vidutinis vėjo greitis 43 m aukštyje siekė 5,9 m/s, o vyraujančios vėjo kryptys taip pat yra vakarų–pietvakarių [11]. Pagal logaritminį dėsnį (4) vidutinį vėjo greitį perskaičiavus 50 m aukščiui, nustatyta, kad jis siekia 6,05 m/s ir yra mažesnis nei Giruliuose ir prie Kretingos apskaičiuotas vidutinis vėjo greitis (atitinkamai 6,37 m/s ir 6,64 m/s).

Vėjo greičio matavimo duomenys buvo pakoreguoti pagal Šilutės meteorologijos stoties daugiamečio ir trumpalaikio vėjo greičio vidurkių santykį, o pagal gautus rezultatus apskaičiuoti energetiniai parametrai pateikti regioninio vėjingumo lentelėje (žr. 2 lentelę).

Matavimo prie Tauragės duomenų statistinė analizė. Mata-vimo vietoje prie Tauragės vidutinis vėjo greitis 28 m aukšty-je siekė 6,51 m/s, o vyraujančios vėjo kryptys, kaip ir kituose tirtuose objektuose, yra vakarų–pietvakarių [11]. Palyginimui su kitais objektais šis vėjo greitis buvo perskaičiuotas 50 m aukščiui pagal logaritminį dėsnį (4). Nustatyta, kad jis siekia 7,18 m/s ir yra didesnis nei Giruliuose, prie Kretingos ir prie Vilkyčių tokiame pat aukštyje apskaičiuotas vidutinis vėjo grei-tis (atitinkamai 6,37 m/s, 6,64 m/s ir 6,05 m/s). Šį pakankamai žymų skirtumą galėjo sąlygoti skirtingas turimų matavimo duomenų laikotarpis (prie Tauragės – 2001 m. spalis – 2002 m. rugsėjis, kituose objektuose – 2001 m. gegužė – 2002 m. balan-

2 l e n t e l ė . Pasirinktų objektų regioninio vėjingumo lentelė (aukštis 100 m)

Objektas ParametrasŠiurkštumo klasė

Neapibrėžtis0,00 m 0,03 m 0,40 m 0,60 m

Giruliai

Weibull A [m/s] 9,1 8,2 6,6 6,3 6–8 %Weibull k 2,12 2,23 2,29 2,28

Vid. vėjo greitis [m/s] 8,07 7,26 5,84 5,56Galios tankis [W/m2] 581 406 205 179

Kretinga

Weibull A [m/s] 8,9 8,0 6,5 6,2 2 %Weibull k 2,04 2,15 2,21 2,19


Vilkyčiai



Tauragė




dis), nes vėjo greitis atskirais mėnesiais skirtingose vietovėse gali žymiai skirtis.

Daugiamečiam vėjo greičio ir energijos pasiskirstymo įver-tinimui matavimo prie Tauragės duomenys buvo perskaičiuoti naudojant Laukuvos meteorologijos stoties daugiamečių vėjo greičio matavimų vidurkio ir trumpalaikio vėjo greičio vidurkio santykį. Pagal perskaičiuotus duomenis sudaryta regioninio vė-jingumo lentelė 100 m aukščiui (žr. 2 lentelę).

Nepaisant to, kad nesutampa vėjo greičio matavimo duome-nų laikotarpiai, regioninio vėjingumo lentelės duomenys rodo, jog vėjingumo sąlygos Tauragės regione yra geresnės nei pajūry-je. Skaičiavimų neapibrėžtis nustatyta palyginus skaičiavimų re-zultatus pagal vėjo greičio matavimo dviejuose aukščiuose duo-menis – 28 m ir 15 m.

3.2. Vėjo parametrų skirtingose Lietuvos pajūrio regiono vietose palyginimas Palyginus visų objektų atskirų mėnesių duomenis, nustatyti vėjo greičio ir krypties pasiskirstymo tirtuose objektuose panašumai. Visuose objektuose vyraujančių vėjo krypčių sektoriai daugumai mėnesių sutampa, kadangi vėjo kryptį daugiausiai lemia orų sis-temos, slenkančios per Lietuvą, ir jos yra didesnės už atstumus tarp vėjo matavimo vietų.

Vėjo greičiui ir jo svyravimams būdingas sezoniškumas. Na-grinėjant vėjo greičio mėnesinę dinamiką, nustatyta, kad visuo-se tirtuose objektuose vėjo greitis mažiausias šiltuoju periodu (balandis–rugsėjis), o didžiausias spalį–kovą (3 pav.). Tai susiję su procesais atmosferos pasienio sluoksnyje įvairiais metų lai-kais. Vasarą, kai saulė įšildo žemės paviršių, šilumos srautas nuo jo į atmosferą yra intensyvesnis.

Šilumos srautas modeliuojamas Lietuvos hidrometeorologi-jos tarnybos naudojamu modeliu HIRLAM. Remiantis šio mo-delio duomenimis, vidutinis šilumos srautas vasarą Lietuvoje yra apie –135 W/m2 ∙ s. Dėl šios priežasties vasarą dažnai vyrauja nestabilios atmosferos sąlygos, dėl kurių intensyviau vertikaliai maišosi oro srautai, ir vidutinis vėjo greitis yra mažesnis. Žiemą dažniau pasitaiko stabili ir neutrali atmosferos stratifikacija, o vidutinis šilumos srautas lygus apie –20 W/m2 ∙ s. Todėl viduti-nis vėjo greitis yra didesnis.

Su atmosferos stabilumo sąlygomis susijusi ir paros vėjo greičio kaita. Nustatyta, kad vėjo greičio kitimas per parą pri-

klauso nuo metų laiko: vasarą dienos metu vėjo greitis didesnis nei naktį, o žiemą visą parą vėjo greitis išsilaiko maždaug vie-nodas.

Norint nustatyti, ar vėjo kitimo dėsningumai skirtingose pa-jūrio regiono vietose yra susiję, buvo atlikta koreliacinė analizė. Vėjo greičio matavimo duomenų sekų koreliacinės analizės re-zultatai rodo, jog egzistuoja stiprus ir statistiškai patikimas vėjo srautų kitimo dėsningumų skirtingose Lietuvos pajūrio vie-tovėse ryšys: koreliacijos koeficientas r kinta nuo 0,51 iki 0,94 (4 pav.).

Stipriausias ir statistiškai patikimas matavimo duomenų sekų koreliacinis ryšys nustatytas rugsėjį–kovą, t. y. kai viduti-nis vėjo greitis didžiausias. Didžiausios koreliacijos koeficiento reikšmės yra tarp matavimo duomenų prie Kretingos ir Giru-liuose. Tokį ryšį gali lemti tai, kad atstumas tarp šių objektų yra trumpiausias. Kitų autorių tyrimuose taip pat nustatyta vėjo greičio svyravimų priklausomybė nuo atstumo. Pavyzdžiui, Gie-bel [17] teigia, jog koreliacijos koeficientas tarp VE galios mata-vimo duomenų sekų mažėja eksponentiškai didėjant atstumui tarp VE.

Vietovės vėjo energijos išteklių dydžiui didelę reikšmę turi ne tik vėjo greitis, bet ir kryptis, nes įvairiomis kryptimis topo-grafinės sąlygos, turinčios reikšmingą įtaką vėjo greičio matavi-mų rezultatams, paprastai yra skirtingos. Pajūrio regionuose vėjo kryptis ypač svarbi, nes labai skiriasi vėjo greičio pasiskirstymas vėjui pučiant nuo jūros ir nuo sausumos. Baltijos jūros pakrantė-je (Giruliuose) pučiant vakarų vėjui nustatytas didžiausias vidu-tinis vėjo greitis ir galios tankis, palyginus su kitomis kryptimis. Vidutinis nuo jūros pučiančio vėjo greitis 50 m aukštyje siekia 8,1 m/s, tuo tarpu nuo sausumos – 5,61 m/s.

3.3. Vėjo greičio kitimo dėsningumai Lietuvos pajūrio regioneNaudojant vėjo greičio matavimo Giruliuose, prie Kretingos ir prie Vilkyčių duomenis, WAsP programa buvo apskaičiuotas tikėtinas vidutinis vėjo greitis visam Lietuvos pajūrio regionui ir nustatyti vėjo energijos išteklių kitimo erdvėje dėsningumai. Pagal gautus rezultatus buvo sudaryti vėjo greičio pasiskirstymo trijuose aukš-čiuose virš žemės paviršiaus (50, 100 ir 150 m) žemėlapiai (5 pav.). Pažymėtina, jog šių žemėlapių tikslumas didžiausias maždaug 10 km spinduliu aplink matavimo vietoves (apie 6–8 %). Didesniu atstumu tikslumas mažėja, tačiau žemėlapiai parodo topografijos

3 pav. Vidutinio vėjo greičio mėnesinė dinamika Lietuvos pajūrio regione 2001–2002 m. (aukštis 50 m)

4 pav. Koreliacijos koeficientai tarp mėnesio vėjo greičio matavimo duomenų sekų (1 – prie Kretingos ir Giruliuose, 2 – prie Vilkyčių ir Giruliuose, 3 – prie Kretingos ir Vilkyčių)


įtaką vidutinio vėjo greičio pasiskirstymui, bendrą vėjo greičio priklausomybę nuo aukščio ir vietoves, kuriose vėjo energijos iš-tekliai yra mažiausi. Mėlyni plotai rodo vėjo greičio sumažėjimą dėl topografijos elementų (reljefo, miestų ir miškų) poveikio vėjo srautams, o Kuršių Nerijoje ir apatinėje žemėlapių dalyje vėjo grei-tis yra didžiausias.

Paveiksle matyti, kad didėjant aukščiui mažėja topografi-jos įtaka ir vėjo greičio pokyčiai. Vėjo greitis didžiausias jūros pakrantėje, o tolstant į sausumą palaipsniui mažėja. Matyti,

kad 50 m aukštyje pajūrio regione vėjo greičio pasiskirstymą labiau lemia topografijos elementų išsidėstymas, o 150 m aukš-tyje – atstumas nuo jūros.

Norint įvertinti vėjo išteklių kitimą dėl vėjo krypties bei ats-tumo iki jūros, pagal 5 paveiksle pateiktus vėjo greičio pasiskirs-tymo duomenis trijose pajūrio regiono vietose (ties Kretinga, Giruliais ir Vilkyčiais) skirtingoms vėjo kryptims 100 m aukš-tyje WAsP programa buvo sudaryti santykinio vėjo greičio kiti-mo profiliai ir apskaičiuoti jų vidurkiai (6 pav.). Santykinis vėjo

5 pav. Vidutinio vėjo greičio pasiskirstymas Lietuvos pajūrio regione

6 pav. Santykinio vėjo greičio kitimo profilis Lietuvos pajūrio regione (aukštis 100 m). Kiekviena kreivė – tai vidurkis, sudarytas pagal matavimo Giruliuose, prie Kretingos ir prie Vilkyčių duomenis


greitis parodo, kiek vėjo greitis skiriasi nuo vėjo greičio ties jūros pakrante, t. y. 100 % prilygintas vėjo greitis ties jūros pakrante.

Nagrinėjant santykinius vėjo greičio kitimo profilius, nu-statyta, kad santykinis vėjo greitis didėja nuo sausumos artė-jant prie jūros kranto ir tolstant tolyn į jūrą. Atviroje jūroje, už 6–8 km nuo kranto, vėjo greitis pasiekia maksimumą ir nebedi-dėja. Sausumoje, 20 km atstumu nuo pakrantės, nuo jūros pu-čiančio vėjo santykinis greitis sumažėja apie 22 %, palyginti su vėjo greičiu ties jūros pakrante. Nuo sausumos pučiančio vėjo santykinis greitis ties jūros pakrante padidėja vidutiniškai 13 %, palyginus su vėjo greičiu sausumoje, 20 km atstumu nuo kranto. Tai rodo, jog nuo jūros pučiantis vėjas patiria stipresnį paviršiaus šiurkštumo pokyčių poveikį.

Remiantis Giruliuose, prie Kretingos ir Vilkyčių atlikta vėjo matavimo duomenų statistine analize ir apskaičiuotais Veibulo parametrais, galima teigti, jog vėjingumo sąlygos išilgai Lietuvos pajūrio regiono yra panašios: vidutinio vėjo greičio skirtumai 100 m aukštyje yra mažesni nei 10 %.

4. IŠVADOS

1. Atlikus vėjingumo sąlygų Lietuvos pajūrio regione analizę, nustatyta, kad skirtumai tarp vidutinių vėjo greičių skirtingose Lietuvos pajūrio regiono vietose vienodame aukštyje yra mažes-ni nei 10 %, visose tirtose vietovėse vyrauja vakarų–pietvakarių vėjo kryptys, o koreliacijos koeficientas tarp vėjo greičio mata-vimo duomenų sekų kinta nuo 0,51 iki 0,94. Tai leidžia teigti, kad vėjingumo sąlygos skirtingose pajūrio regiono vietose vėjo jėgainių vėjaračio aukštyje yra panašios.

2. Nagrinėjant santykinio vėjo greičio kitimo profilį, nusta-tyta, kad dėl pakrantės topografijos poveikio vidutinis nuo jūros pučiančio vėjo greitis 20 km atstumu nuo pakrantės sumažėja apie 22 %, palyginti su vėjo greičiu ties jūros pakrante. Tuo tarpu nuo žemyno pučiančio vėjo santykinis greitis ties jūros pakrante padidėja apie 13 %. Tai leidžia teigti, kad pajūrio regione vėjo greičio pasiskirstymą labiausiai lemia atstumas nuo jūros ir pa-jūrio topografija.

3. Vėjo greičio ir krypties matavimo duomenų statistinė ana-lizė parodė, kad Lietuvos pajūrio regione vėjo energijos išteklių dydžiui didelę reikšmę turi ne tik vėjo greitis, bet ir kryptis, nes topografinės sąlygos ir vėjo greičio pasiskirstymas yra skirtin-gas, vėjui pučiant nuo jūros ir nuo sausumos. Jūros pakrantėje vidutinis nuo jūros pučiančio vėjo greitis 50 m aukštyje siekia 8,1 m/s, o nuo sausumos – 5,61 m/s.

gauta 2008 12 23 Priimta 2009 01 05

Literatūra

1. Directive 2001/77/eC of the european Parliament and the Council of 27 September 2001 on the promotion of elec-tricity produced from renewable energy sources in the in-ternal electricity market // Official Journal of the european Communities. 27.10.2001, l283/33–l283/40.

2. elektros energijos, kuriai gaminti naudojami atsinaujinan-tys energijos ištekliai, gamybos ir pirkimo skatinimo tvar-kos aprašas. Patvirtinta lietuvos respublikos Vyriausybės 2001 m. gruodžio 5 d. nutarimu nr. 1474 (lietuvos respublikos Vyriausybės 2004 m. sausio 13 d. nutarimo nr. 25 redakcija // Valstybės žinios. 2001. nr. 104-3713; Valstybės žinios. 2004. nr. 9–228).

3. katinas V., tumosa a. Vėjo energijos panaudojimo galimy-bės lietuvoje. Vilnius, 1995. 37 p.

4. katinas V., Markevičius a. Vėjo energijos ištekliai ir stebėjimo postų kūrimas lietuvoje // energetika. 2001. nr. 2. P. 45–50.

5. Markevičius a., katinas V. Vėjo energetikos plėtros ten-dencijos // energetika. 2003. nr. 1. P. 22–27.

6. Birgiolas e., katinas V. investigation of wind flow turbulence and energy parameters // energetika. 2004. nr. 4. P. 24–28.

7. katinas V., Vaitiekūnas P., Markevičius a., Birgiolas e. investigation of wind dynamical parameters and the effect on prediction of wind turbine efficiency // Proceedings of ecological energy Resources in Agriculture: 9th International conference Institute of Agricultural Engineering, September 16–17, 2004, raudondvaris. P. 157–162.

8. Birgiolas e., katinas V. Vėjo srauto parametrų kitimo dės-ningumų tyrimas lietuvos pajūryje // energetika. 2006. nr. 2. P. 29–33.

9. katinas V., Markevičius a., Burlakovas a. Vėjo energeti-ka ir jos artimiausia perspektyva lietuvoje // energetika. 2006. nr. 3. P. 67–76.

10. The Wind regime at Butinge, lithuania. institute for techno-logy, kjeller, norway, 1996, December. 23 p. + appendix.

11. rathmann O. The UnDP/geF Baltic Wind atlas. risø-r-1402(en). risø national laboratory, roskilde, 2003. 36 p.

12. troen i., Petersen e. l. european Wind atlas. risoe national laboratory, roskilde, Denmark, 1989. Prieiga per internetą: <http://www.windatlas.dk>

13. Mortensen n. g. et al. Wind atlas analysis and application Program (WaSP) – User’s guide. risoe-i-666-(en) (v. 2), risoe national laboratory, roskilde, Denmark, 1993. 133 p.

14. Mortensen n. g. et al. getting Started with WasP 9. risoe-i-2571(en), risoe national laboratory, roskilde, Denmark, 2007. 62 p.

15. Hogström U. non-dimensional wind and temperature profiles in the atmospheric surface layer: a re-evaluation // Boundary-layer Meteorology. 1988. no. 42. P. 55–78.

16. Badger J. et al. report on the Use of Stability Parameters and Mesoscale Modelling in Short-term Prediction. risø-r-report. Wind energy Department, risoe national laboratory, technical University of Denmark, roskilde, Denmark, 2007. 32 p.

17. giebel g. On the Benefits of Distributed generation of Wind energy in europe. PhD thesis. risø national laboratory, roskilde, Denmark, 2001. 116 p.


Mantas Marčiukaitis, Regina Erlickytė-Marčiukaitienė, Algis Tumosa

INVESTIGATION Of wIND SPEED DYNAMIcS IN ThE LIThUANIAN cOASTAL REGION

S u m m a r yIt is planned that the total installed wind power will reach 200 MW in 2010 in Lithuania. Most of the new wind farms are going to be built in the Lithuanian coastal region where wind resources are the largest. Wind energy resources in Lithuania so far have been estimated using separate wind speed measurements and data from meteorological sta-tions. As wind power is increasing in Lithuania, systematic fundamen-tal investigations of wind resource variation are necessary, especially in the coastal region where most of wind farms are planned to be built. Statistical analysis of wind speed measurement data in Giruliai, near Kretinga, Vilkyčiai and Tauragė has been performed, regularities of wind speed variation have been investigated and wind speed distribu-tion in the Lithuanian coastal region has been determined in this work. It has been established that wind climate conditions at hub-height of wind turbines are similar in different parts of the Lithuanian coastal region, and the variation of wind parameters is mostly dependent on the distance from the sea and on the coastal topography. Due to coastal topography, the average wind speed at the height of 100 m 20 km away from the seacoast decreases by about 22% versus that at the seacoast.

Key words: renewable energy sources, wind energy, wind turbines

Мантас Марчюкайтис, Регина Ерлицките-Марчюкайтене, Альгис Тумоса

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ КОЛЕБАНИЙ СКОРОСТИ ВЕТРА В ПРИМОРСКОМ РЕГИОНЕ ЛИТВЫ

Р е з ю м еОбщая мощность парков ветровых турбин в Литве до 2010 г. должна достичь 200 МВ. бóльшую часть ветровых турбин плани-руется построить в приморском регионе Литвы, где ресурсы ветра самые большие. До сих пор расчеты ресурсов ветра в Литве были основаны на различных измерениях скорости ветра и на данных метеорологических станций. Поскольку ветровая энергетика в Литве становится все популярнее, нужны систематические фунда-ментальные исследования ресурсов ветровой энергии, особенно в приморском регионе, наиболее перспективном для строитель-ства парков ветряных турбин. В работе осуществлен статистиче-ский анализ данных измерений скорости ветра в Гируляй, около Кретинги, в Вилькичяй и Таураге в 2001–2002 гг., также исследо-ваны закономерности изменения этих параметров и установле-но распределение скорости ветра в приморском регионе Литвы. Установлено, что в различных местах указанного региона на вы-соте 100 м параметры ветра схожи, а закономерности колебаний ветровой энергии по бóльшей части определены расстоянием от моря и топографией приморья. Например, из-за воздействия при-морской топографии средняя скорость ветра, дующего с моря, в 20 км от берега уменьшается на 22 % по сравнению со скоростью ветра у берега моря.

Ключевые слова: возобновляемые энергоресурсы, энергия ветра, ветряные турбины

vėjo greičio kitimo dėsningumų lietuvos pajūrio regione...

Documents