ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΣΙΑΝΑ Αριθμός Μητρώου: 3526 Θέμα: ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα:

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΣΙΑΝΑ Α.Μ.: 3526 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

3 Ευχαριστίες: Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτριά μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγησή και τις συμβουλές της σε ότι αφορά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Ευχαριστώ επίσης την οικογένεια μου για την υποστήριξη της.

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Φοιτητής: ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΣΙΑΝΑΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη, «καθαρή» μορφή ενέργειας, που δε μολύνει το περιβάλλον και είναι ανεξάντλητη. Οι ανεμογεννήτριες βρίσκονται συνήθως σε τοποθεσίες με υψηλό υψόμετρο καθώς και σε επίπεδη ύπαιθρο, κάτι που δικαιολογεί τον υψηλό αριθμό κεραυνικών πληγμάτων, τα οποία προκαλούν πολλά προβλήματα στις εγκαταστάσεις. Ο κεραυνός αποτελεί ένα ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό φαινόμενο το οποίο θα μπορούσε να ορισθεί ως μια μορφή ηλεκτρικής διάσπασης, χαρακτηριζόμενης από υψηλό ρεύμα, που συμβαίνει σε πολύ μεγάλα διάκενα. Για την καλλίτερη κατανόηση του φαινομένου αυτού, αρχικά περιγράφηκε η ηλεκτρική κατάσταση της γης και η ηλεκτρική συμπεριφορά των νεφών καθώς και οι επιπτώσεις των πληγμάτων των κεραυνών. Αυτά αφορούν στην ανθρώπινη ζωή και στις κατασκευές, στις οποίες διακρίνονται σε θερμικές, μηχανικές και ηλεκτρικές επιπτώσεις. Η αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες, με σημαντικότερη την προστασία των περιστρεφόμενων πτερυγίων. Τα κεραυνικά πλήγματα επηρεάζουν αρχικά τα συστήματα ελέγχου, στη συνέχεια τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά συστήματα και τελευταία τα πτερύγια και τους αισθητήρες. Τα μηχανικά τμήματα, όπως τα συστήματα πέδησης (αν υπάρχουν), τα μηχανικά φρένα και η ηλεκτρική γεννήτρια δεν επηρεάζονται σε υψηλό βαθμό. Καθώς ο ακριβής τρόπος που το κεραυνικό πλήγμα δρα πάνω στην ανεμογεννήτρια δεν είναι απόλυτα γνωστός, είναι απαραίτητο να βρεθούν ασφαλείς μέθοδοι αντικεραυνικής προστασίας των ανεμογεννητριών που να βασίζονται στο πρότυπο IEC Στο τρίτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας παρουσιάζεται η δομή και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των ανεμογεννητριών. Η ανεμογεννήτρια αποτελείται από τρία βασικά μέρη, κάθε ένα από τα οποία αποτελούνται από άλλα επιμέρους δομικά στοιχεία. Τα τρία βασικά δομικά μέρη μιας ανεμογεννήτριας είναι η νασέλλα, ο πύργος και η βάση. Ο πλέον δημοφιλής τύπος ανεμογεννήτριας είναι ο οριζόντιος τύπος, ο οποίος χαρακτηρίζεται από ένα στροφέα τύπου προπέλας που στηρίζεται πάνω ένα οριζόντιο άξονα με δύο ή τρία πτερύγια. Η ολική ισχύς που υπάρχει στον άνεμο και μπορεί να δεσμευτεί με ένα ανεμοκινητήρα είναι: P A =1/2*p*S*V 3. 1

6 Διακρίνουμε τρεις ταχύτητες στην λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας: α) την ταχύτητα έναρξης, β) την ονομαστική ταχύτητα και γ) την ταχύτητα αποσύζευξης. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι επιπτώσεις του κεραυνικού πλήγματος στις ανεμογεννήτριες. Στο σημείο αυτό γίνεται αναφορά στο πρότυπο IEC και κυρίως στις παραγράφους που αφορούν στα πτερύγια των ανεμογεννητριών. Εκτός από τις βλάβες στα πτερύγια που είναι τα πιο εκτεθειμένα μέρη της ανεμογεννήτριας το πλήγμα του κεραυνού έχει επιπτώσεις στα έδρανα κύλισης, στο κιβώτιο ταχυτήτων και στο ανεμόμετρο. Επίσης οι περιελίξεις της γεννήτριας και ο εξοπλισμός ελέγχου και παρακολούθησης μπορεί να υποστούν σοβαρές βλάβες. Οι επαγόμενες τάσεις είναι η τάση επαφής, η βηματική τάση και οι υπερτάσεις. Το πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο αφορά στην αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών. Αρχικά παρουσιάζεται η αντικεραυνική μέθοδος που εφαρμόστηκε από τους Παστρομά και συν. σε ένα αιολικό πάρκο στο Παναχαϊκό κοντά στην Πάτρα στην Ελλάδα [10]. Γίνεται υπολογισμός του επιπέδου προστασίας των ανεμογεννητριών με δύο τρόπους: α) εκτιμώντας την παράμετρο Nd για κτήρια που έχει ως μεταβλητή τον περιβαλλοντικό παράγοντα Ce και β) με το Nd να αφορά τις εκτιμήσεις για τις ανεμογεννήτριες έχοντας μια μεταβλητή, το ύψος της κατασκευής. Η παράμετρος E είναι ίδια και στις δύο περιπτώσεις. Στη συνέχεια περιγράφεται το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας που εφαρμόζεται για την προστασία των πτερυγίων των ανεμογεννητριών, καθώς και τα αποτελέσματα πειραματισμών για την ανάπτυξη ενός υποδοχέα, ο οποίος να έχει επαρκή χωρητικότητα για «σκληρές» κεραυνικές συνθήκες [21]. Στα πειράματα για τη μελέτη των επιπτώσεων των κεραυνικών πληγμάτων σε πτερύγια, χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικοί τύποι πτερυγίων, που διέθεταν τρείς διαφορετικούς τύπους υποδοχέων. Ο πρώτος τύπος διέθετε έναν στερεό μεταλλικό υποδοχέα στην άκρη του πτερυγίου, ο δεύτερος τύπος έναν κυκλικό υποδοχέα εγκατεστημένο στην πλευρά του πτερυγίου και ο τρίτος τύπος τρείς υποδοχείς. Ο ένας είχε σχήμα ράβδου και βρισκόταν στο άκρο του πτερυγίου και οι άλλοι ήταν μικροί μεταλλικοί υποδοχείς που βρίσκονταν και στις δύο επιφάνειες του πτερυγίου. Αυτοί οι τρείς τύποι υποδοχέων καλύπτουν τους περισσότερους τύπους που χρησιμοποιούνται γενικώς. Οι εύκαμπτες συνδέσεις στο εσωτερικό της νασέλλας προκαλούν μια παράκαμψη του ρεύματος του κεραυνού που καταλήγει στην βάση του πύργου. Οι 2

7 ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν δαχτυλίδια ολίσθησης για να συνδέσουν την καλωδίωση της γεννήτριας με την σταθερή καλωδίωση. Το μεταλλικό πλαίσιο μέσα στην νασέλλα είναι συνδεμένο με την βάση της ανεμογεννήτριας με 50mm 2 με XLPE μονωμένα καλώδια. Η νασέλλα, τα ρουλεμάν εκτροπής και ο πύργος συνδέονται και καταλήγουν στη βάση του πύργου. Οι αγωγοί καθόδου χρησιμοποιούνται για να οδηγήσουν με ασφάλεια το ρεύμα του κεραυνού στο σύστημα γείωσης. Το σύστημα γείωσης θα πρέπει να οδηγεί το ρεύμα του κεραυνού και να προστατεύει το προσωπικό από πτώσεις τάσης επαφής και βηματικές. Το ανεμόμετρο προστατεύεται επίσης από κεραυνικά πλήγματα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μία οδηγία για αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών στη Ιαπωνία η οποία συνοψίζει τα αποτελεσματικά μέτρα για την αντικεραυνική προστασία στις εγκαταστάσεις ανεμογεννητριών, με βάση το ρεύμα των κεραυνών του χειμώνα, τις εργαστηριακές δοκιμές εφαρμογής ρευμάτων υψηλής τάσης σε πτερύγια ανεμογεννητριών και τη μελέτη των κεραυνικών σφαλμάτων σε μονάδες παραγωγής αιολικής ενέργειας [27]. Τελειώνοντας παρουσιάζεται μια πρόταση για μια καινούργια έννοια ζωνών αντικεραυνικής προστασίας των πτερυγίων των ανεμογεννητριών, σύμφωνα με την οποία η άκρη του πτερυγίου θεωρείται ως διαφορετική ζώνη από το υπόλοιπο πτερύγιο [28]. 3

8 ABSTRACT Wind energy is a renewable, "pure" form of energy that does not pollute the environment and is inexhaustible. Wind turbines are usually sited on high altitude as well as flat countryside, explaining the high number of reported direct lightning strikes. Lightning is an atmospheric electrical phenomenon, characterized by high current, which occurs in very large gaps. For a better understanding of this phenomenon, it is firstly described the electrical behavior of the Earth and the clouds. It is also described the effects of lightning strikes, which are related to human life and structures (thermal, mechanical and electrical effects). Lightning protection of wind turbines presents several difficulties; the main is the protection of the rotating blades. Lightning strikes have impact firstly on control systems, then the rest electrical system and lastly the blades and sensors. Mechanical parts like gearbox (if exists), mechanical brakes and the electric generator are not affected in high degree. Additionally, taking into account that the way a lightning strike acts on a wind turbine is not clear at this time, makes it necessary to find a quite safe method based on the basics of lightning protection of equipment and wind turbines according to IEC The third chapter presents the structure and operation of wind turbines. The wind turbine consists of three major parts, each of which consist of other subcomponents. The three main components of a wind turbine are the nasella, the tower and the base. The most popular type is the horizontal wind turbine type, which is characterized by a propeller-type rotor, resting on a horizontal axis with two or three blades. The total power produced by the generator is: P A = 1/2 * p * S * V 3. The three operating speeds of a wind turbine are a) Cut-in speed, b) Rated speed and c) Cut-out speed. The fourth chapter presents the effects of lightning strikes on wind turbines. Standard IEC describes lighting protection of wind turbines. The lighting strike firstly affects the blades. Also affects the bearings, the gearbox and the anemometer. The generator and the control system may be seriously damaged from a lighting strike. 4

9 The fifth and last chapter describes the lightning protection of wind turbines. Firstly, a practical lightning protection method is presented which was applied by Pastromas et al [10] to a wind park sited on Panachaiko area, near Patras Greece. This method seems to minimize the risk of damages to the turbines from eventual lightning strikes. It derived considering the damage statistics, the consequences on energy production and the evaluation of the risk of lightning damage to a wind turbine, based on IEC Then, the lightning protection applied to protect the turbine blades is described, as well as the results of lightning experiments and simulations for various lightning receptors that are generally used in wind turbines, in order to develop the lightning receptor to protect wind turbine blades under hard lightning condition [21]. The flexible connections, to the internal of nacelle cause a lightning current bypass from the plate, around the blade bearing and the main bearings via the nacelle frame to the tower foundation. The slip ring is an electromagnetic device which allows the transmission of power from a stationary to a rotating structure and connects the turbine wiring to the fixed wiring. The metal frame in the nacelle is bonded to the wind turbine foundation with 50mm 2 Cu with XLPE insulation wires. Nacelle, yaw rings and tower are connected and ending to the tower foundation. The down conductor in the tower base is connected with the tower and the grounding system, which is constructed inside the foundation of the tower. The grounding system should lead the lightning current and protect the personnel from contact and step voltage drops. The wind turbine has an ultrasonic anemometer which is protected against lightning strikes by a steel ring around it. Then guidelines for wind power generation business toward selection of sites and protection of wind turbines against natural hazards in Japan are presented. This guideline summarizes effective measures on lightning protection of wind power generation equipments, based on measurement of lightning currents in winter, laboratory high-voltage and high-current tests on wind turbine blades investigation on lightning faults of wind power generation plants [27]. Finally, a new zoning concept of the lighting protection of the blades is presented, where the tip of the blade is treated as a different zone than the remaining part of the blade. The background of the new zoning concept is explained, and the principle is demonstrated used on existing blade [28]. 5

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ...1 ABSTRACT...4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... 6 Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή... 9 Κεφάλαιο 2 ο : Κεραυνός Ηλεκτρικά ατμοσφαιρικά φαινόμενα Ηλεκτρική κατάσταση της γης Ηλεκτρική συμπεριφορά ενός νέφους Κατανομή φορτίων και πεδιακών εντάσεων μέσα σε ένα ηλεκτρισμένο νέφος Συσσώρευση ηλεκτρικού φορτίου στα νέφη Ορισμοί σχετικοί με τα μεγέθη του κεραυνού Είδη κεραυνών Επιπτώσεις από πλήγματα κεραυνών Επιπτώσεις στην ανθρώπινη ζωή Συνέπειες πληγμάτων κεραυνών σε κατασκευές Θερμικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού Μηχανικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού Ηλεκτρικές συνέπειες ενός πλήγματος κεραυνού 19 Κεφάλαιο 3 ο : Ανεμογεννήτρια Αιολική ενέργεια Γενική λειτουργία ανεμογεννήτριας Δομή της ανεμογεννήτριας Τύποι ανεμογεννητριών Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Περιγραφή δομικών στοιχείων ανεμογεννήτριας Χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών Ισχύς του ανέμου..28 Κεφάλαιο 4 ο : Κεραυνικό πλήγμα σε ανεμογεννήτρια Πτερύγια.31 6

11 4.1.1 Πρότυπο IEC «Μηχανικό Σύστημα Ανεμογεννήτριας-Μέρος 24 : Αντικεραυνική Προστασία» Πιθανός μηχανισμός καταστροφής και καύσης των πτερυγίων Πτερύγια κατασκευασμένα από μονωτικά υλικά Το πρόβλημα της υγρασίας στο εσωτερικό των πτερυγίων Το πρόβλημα της ηλεκτρικής εκκένωσης Έδρανα κύλισης Φθορές εδράνων από την διαρροή του κεραυνικού ρεύματος Φθορές στο κιβώτιο ταχυτήτων λόγω του ρεύματος του κεραυνού Ανεμόμετρο Βλάβες στο σύστημα της γεννήτριας Βλάβες στο ηλεκτρονικό σύστημα της ανεμογεννήτριας Αγώγιμη ζεύξη Σύζευξη ηλεκτρικού πεδίου Σύζευξη μαγνητικού πεδίου Επαγόμενες τάσεις Τάση επαφής Βηματική τάση Υπερτάσεις..43 Κεφάλαιο 5 ο : Σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ανεμογεννητριών Εκτίμηση επιπέδου αντικεραυνικής προστασίας Προτεινόμενο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας για ανεμογεννήτριες Ζώνες αντικεραυνικής προστασίας Υποδοχείς πτερυγίων και αγωγός καθόδου Πειράματα επιπτώσεων κεραυνικών πληγμάτων σε πτερύγια Αποτελέσματα πειραματισμών Βελτίωση της επίδοσης των υποδοχέων Επίδοση των βελτιωμένων υποδοχέων Συμπεράσματα Εύκαμπτες συνδέσεις γύρω από τα πτερύγια, δαχτυλίδια ολίσθησης και ρουλεμάν εκτροπής Εσωτερικοί αγωγοί ισοδύναμου δυναμικού Νασέλλα, ρουλεμάν εκτροπής και πύργος..64 7

12 5.2.4 Αντικεραυνική προστασία εδράνων κύλισης και κιβωτίου ταχυτήτων Αγωγοί καθόδου Όδευση καλωδίων εξωτερικά του πύργου Σύστημα γείωσης Μέθοδοι γείωσης της ανεμογεννήτριας και βελτίωσης της αντίστασης γείωσης Ανεμόμετρο Συσκευές προστασίας έναντι υπερτάσεων Συνολικά συστήματα αντικεραυνικής προστασίας Οδηγία για αντικεραυνική προστασία ανεμογεννητριών στην Ιαπωνία Οι κεραυνοί και οι καταστροφές που προκαλούνται από αυτούς στην Ιαπωνία Μέτρηση του κεραυνού Χάρτης επικινδυνότητας κεραυνών στην Ιαπωνία Αποτελεσματικότητα των μέτρων αντικεραυνικής προστασίας Οργάνωση των μέτρων της αντικεραυνικής προστασίας Διαχείριση Κινδύνου Συμπεράσματα Κεραυνική ή κυλιόμενη σφαίρα Ανάπτυξη μαθηματικού μοντέλου για τη διάκριση ζωνών αντικεραυνικής προστασίας στα πτερύγια των ανεμογεννητριών Κατερχόμενοι κεραυνοί - Εφαρμογή ηλεκτρογεωμετρικού μοντέλου κυλιόμενης σφαίρας στην αντικεραυνική προστασία των πτερυγίων Ανερχόμενοι κεραυνοί Μαθηματικό μοντέλο Αποτελέσματα ερευνών Διαχωρισμός των πτερυγίων σε τέσσερεις ζώνες αντικεραυνικής προστασίας Αντικεραυνικές ζώνες προστασίας πτερυγίων Πειραματική επαλήθευση και συμπεράσματα.93 Κεφάλαιο 6 ο : Συμπεράσματα..95 Βιβλιογραφία..96 8

13 1. Εισαγωγή Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, μια καθαρή μορφή ενέργειας, η οποία δε ρυπαίνει το περιβάλλον και δε συμβάλλει, όπως άλλες συμβατικές πηγές με τα καυσαέρια στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Επιπρόσθετα, είναι μια ανεξάντλητη μορφή ενέργειας. Περιβαλλοντικοί κυρίως λόγοι έχουν επιβάλλει τα τελευταία χρόνια μια μεγάλη αύξηση του αριθμού των εγκατεστημένων ανεμογεννητριών παγκόσμια. Στην Ελλάδα μέχρι το τέλος του 2009 είχαν τοποθετηθεί ανεμογεννήτριες που αντιστοιχούσαν σε 1087 MW εγκατεστημένης ισχύος, ενώ η συνολική εγκατεστημένη ισχύς στην Ευρώπη φτάνει τα MW. Η αύξηση της παραγόμενης ισχύος από τις ανεμογεννήτριες οδηγεί σε αύξηση του ύψους των πύργων τους και αυτό τις καθιστά περισσότερο ευάλωτες σε κεραυνικά πλήγματα. Οι ανεμογεννήτριες βρίσκονται συνήθως σε τοποθεσίες με υψηλό υψόμετρο καθώς και σε επίπεδη ύπαιθρο, κάτι που δικαιολογεί τον υψηλό αριθμό κεραυνικών πληγμάτων, τα οποία προκαλούν πολλά προβλήματα στις εγκαταστάσεις. Οι επιπτώσεις των κεραυνικών πληγμάτων στις ανεμογεννήτριες ποικίλουν από καταστροφές στα πτερύγια και βλάβες στα συστήματα ελέγχου έως πλήρη καταστροφή της ανεμογεννήτριας. Επιπρόσθετα, είναι υποχρέωση των κατασκευαστών να προστατεύουν τα προσωπικό συντήρησης από τα κεραυνικά πλήγματα, επικίνδυνες βηματικές τάσεις και τάσεις επαφής. Οι περισσότερες σημαντικές επιπτώσεις στους ανθρώπους αφορούν σε βλάβες στο καρδιαγγειακό σύστημα, τους πνεύμονες και το κεντρικό νευρικό σύστημα. Η αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες, με σημαντικότερη την προστασία των περιστρεφόμενων πτερυγίων. Τα κεραυνικά πλήγματα επηρεάζουν αρχικά τα συστήματα ελέγχου, στη συνέχεια τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά συστήματα και τελευταία τα πτερύγια και τους αισθητήρες. Τα μηχανικά τμήματα, όπως τα συστήματα πέδησης (αν υπάρχουν) τα μηχανικά φρένα και η ηλεκτρική γεννήτρια δεν επηρεάζονται σε υψηλό βαθμό. Καθώς, ο ακριβής τρόπος που το κεραυνικό πλήγμα δρα πάνω στην ανεμογεννήτρια, δεν είναι απόλυτα γνωστός, είναι απαραίτητο να βρεθούν ασφαλείς μέθοδοι αντικεραυνικής προστασίας των ανεμογεννητριών που να βασίζονται στο πρότυπο IEC Συνοψίζοντας, το πρόβλημα που προκαλείται από τα κεραυνικά πλήγματα στις ανεμογεννήτριες, θα μπορούσε να περιγραφεί από τα εξής: 9

14 (1) Οι ανεμογεννήτριες τοποθετούνται σε τοποθεσίες που είναι εκτεθειμένες σε κεραυνούς. (2) Το υψηλό κόστος επισκευής σε περίπτωση βλάβης συνοδεύεται από σημαντικές απώλειες σε παραγωγή ενέργειας. (3) Τα περισσότερο εκτεθειμένα τμήματα της ανεμογεννήτριας (πτερύγια και περίβλημα της νασέλλας) κατασκευάζονται από συνθετικά υλικά. (4) Τα πτερύγια και η νασέλλα περιστρέφονται και αλλάζουν θέση κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. (5) Σημαντικό μέρος του ρεύματος του κεραυνού περνά μέσα ή κοντά από όλα τα τμήματα της ανεμογεννήτριας. (6) Ηλεκτρικά συνδεμένες ανεμογεννήτριες στα αιολικά πάρκα είναι συχνά τοποθετημένες σε τοποθεσίες με κακές συνθήκες γείωσης, ενώ είναι σημαντικό να υπάρχει ένα αξιόπιστο σύστημα συλλεκτήριων αγωγών. 10

15 2 Κεραυνός Ο κεραυνός αποτελεί ένα ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό φαινόμενο το οποίο θα μπορούσε να ορισθεί ως μια μορφή ηλεκτρικής διάσπασης, χαρακτηριζόμενης από υψηλό ρεύμα, που συμβαίνει σε πολύ μεγάλα διάκενα. Ο κεραυνός εμφανίζεται όταν σε κάποια περιοχή της ατμόσφαιρας επιτυγχάνεται μια ηλεκτρική φόρτιση αρκετά μεγάλη, με αποτέλεσμα τα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούνται να προκαλούν την ηλεκτρική διάσπαση του αέρα. Ο κεραυνός αποτελείται από ένα οπτικό φαινόμενο, την αστραπή, που οφείλεται στην πυράκτωση των μορίων του αέρα, και από το καθαρά ηλεκτρικό φαινόμενο, δηλαδή τη ροή των ηλεκτρικών φορτίων, που συνοδεύεται από τη βροντή, εξαιτίας της απότομης εκτόνωσης των αερίων της περιοχής. 2.1 Ηλεκτρικά ατμοσφαιρικά φαινόμενα Ηλεκτρική κατάσταση της γης Η γη εμφανίζεται μόνιμα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των 5x10 5 C. Το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ηλεκτρικό πεδίο με την κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς τη γη με ένταση περίπου 0,13 kv/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία του κατανεμημένου θετικού φορτίου έχει ως αποτέλεσμα τη προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος. Εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300 kv σε σχέση με τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. [1] Ιονισμένα σωματίδια και των δύο προσήμων που παράγονται από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και άλλες αιτίες, προσδίνουν στον αέρα ορισμένη αγωγιμότητα που εξαρτάται, μάλιστα, από το ύψος από την επιφάνεια του εδάφους. Εξαιτίας της αγωγιμότητας αυτής και του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας, ιόντα των δύο προσήμων κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις. Υπό συνθήκες καλοκαιρίας ρεύμα θετικών ιόντων ρέει προς τη γη με πυκνότητα i=130*1.5*10-12 A/m 2 =2pA/m 2. Η εξομάλυνση του γήινου πεδίου και κατά συνέπεια η εκφόρτιση της γης θα έπρεπε να συμβαίνει με μια σταθερά χρόνου τ~600s έτσι που μέσα σε 11

16 διάστημα μερικών δεκάδων λεπτών η γη να εκφορτιζόταν σχεδόν τελείως. Το γεγονός πως αυτό δεν συμβαίνει, αποτελεί ένδειξη πως η γη τροφοδοτείται ταυτόχρονα με αρνητικό φορτίο ισοδύναμο με αυτό που δέχεται από το ρεύμα των θετικών ιόντων. Πιστεύεται πως η κύρια πηγή που τροφοδοτεί τη γη με αρνητικό φορτίο είναι τα ηλεκτρισμένα νέφη και οι κεραυνοί Ηλεκτρική συμπεριφορά ενός νέφους Η πιο συνηθισμένη ηλεκτρική εικόνα ενός νέφους είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο με θετικό φορτίο στην κορυφή του και αρνητικό στην προς τη γη πλευρά του, χωρίς όμως αυτό να αποτελεί γενικό κανόνα. Το ηλεκτρικό πεδίο του φορτίου ενός νέφους με την πιο πάνω ηλεκτρική εικόνα διαταράσσει το ομαλό πεδίο καλοκαιρίας με συνέπεια να προκαλεί αναστροφή του, οπότε αναστρέφεται και η φορά του ρεύματος καλοκαιρίας που ρέει προς τη γη. Η σταθερά χρόνου αυξήσεως του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου ενός νέφους είναι περί τα δύο λεπτά, που σημαίνει πως το νέφος περνά από την ουδέτερη στην ηλεκτρισμένη κατάσταση μέσα σε λίγα μόνο λεπτά. Με το σχηματισμό ενός ηλεκτρισμένου νέφους, το ηλεκτρικό πεδίο καλοκαιρίας, αφού πρώτα αναστραφεί, αποκτά με την κατεύθυνση κακοκαιρίας (από γη προς ατμόσφαιρα) τιμές που μπορούν να φθάνουν τα 10 kvm -1. Το πεδίο αυτό διαταράσσεται στιγμιαία με κάθε εκκένωση κεραυνού ή εσωτερική του νέφους, στη συνέχεια όμως αποκαθίσταται και πάλι, με εκθετική καθυστέρηση, στην πρότερη περίπου τιμή του. Όταν το πεδίο που προκαλείται στην επιφάνεια της γης από την παρουσία ενός ηλεκτρισμένου νέφους υπερβεί 1.5 έως 2 kvm -1, αρχίζει ιονισμός από αιχμηρές προεξοχές του εδάφους με τον οποίο ελευθερώνονται θετικά κυρίως ιόντα. Αν κατά την ίδια περίοδο πέφτει ελαφριά βροχή, οι σταγόνες της κατεβάζουν συχνά στη γη θετικά φορτία. Με την πάροδο της καταιγίδας, μετά πάροδο 8 περίπου λεπτών από την έναρξη φορτίσεως του νέφους, η ένταση του πεδίου στην επιφάνεια της γης αποκτά τιμές της τάξεως των 3 kv/m. Από την τιμή αυτή και πέρα αρχίζουν να παρατηρούνται ηλεκτρικές εκκενώσεις μέσα στο νέφος και προς τη γη. Με κάθε ηλεκτρική εκκένωση, το πεδίο στην επιφάνεια του εδάφους αλλάζει απότομα, από την κατεύθυνση κακοκαιρίας στην κατεύθυνση καλοκαιρίας, σαν 12

17 μέρος του αρνητικού φορτίου του νέφους να εξαφανίζεται. Στην συνέχεια όμως το πεδίο επανακτά με σχετικό βραδύ ρυθμό την κατεύθυνση κακοκαιρίας. Λίγα λεπτά μετά από κάθε κεραυνό ακολουθεί ολιγόλεπτη πτώση ορμητικής βροχής ή χαλαζιού. Δεν είναι εξακριβωμένο αν είναι ο κεραυνός που προκαλεί την ορμητική βροχή ή η βροχή που προκαλεί τον κεραυνό. Καθώς η ορμητική βροχή πλησιάζει το έδαφος, η κατεύθυνση του πεδίου εδάφους συχνά αναστρέφεται από κακοκαιρίας σε καλοκαιρίας και μπορεί να φτάσει, με την πολικότητα καλοκαιρίας τιμές μέχρι 10 kvm -1. Το πρόσημο του φορτίου επίσης που μεταφέρεται προς τη γη με τις σταγόνες ορμητικής βροχής αναστρέφεται από θετικό σε αρνητικό, καθώς αυτές πλησιάζουν το έδαφος. Η ανίχνευση αρνητικού φορτίου στις σταγόνες της ορμητικής βροχής και η κατά την ίδια περίοδο κατεύθυνση καλοκαιρίας του πεδίου παρουσιάζουν δυσεξήγητη αντίφαση. Η αντίφαση αυτή οδηγεί στην υπόθεση πως, ταυτόχρονα με την πτώση της ορμητικής βροχής, ένα ισχυρό θετικό φορτίο εμφανίζεται στα χαμηλότερα στρώματα του νέφους και είναι αυτό που επάγει την κύρια συνιστώσα του πεδίου εδάφους. Όπως αναφέρθηκε, όταν εξ αιτίας της παρουσίας ηλεκτρισμένων νεφών το πεδίο στην επιφάνεια της γης υπερβεί με τη διεύθυνση κακοκαιρίας τα 2 kvm -1, αρχίζει ιονισμός του αέρα από προεξοχές του εδάφους όπως είναι τα δέντρα, υψηλά κτήρια κ.λ.π. Από γενικότερες μετρήσεις έχει προκύψει πως για τη συνήθη ποικιλία διαμορφώσεως του εδάφους, το μέσο ρεύμα που ρέει κατά την διάρκεια καταιγίδων είναι περί τα 1.2 na/m Κατανομή φορτίων και πεδιακών εντάσεων μέσα σε ένα ηλεκτρισμένο νέφος Ένα ηλεκτρισμένο νέφος περιέχει ίσες περίπου ποσότητες φορτίων και των δύο προσήμων. Η δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου μέσα και γύρω από ένα ηλεκτρισμένο νέφος, καθώς και στην επιφάνεια του εδάφους, οφείλεται στο διαχωρισμό των φορτίων αυτών με συγκέντρωση φορτίων ορισμένου προσήμου σε διακεκριμένες περιοχές του νέφους. Έχει επικρατήσει για το ηλεκτρισμένο νέφος η εικόνα ενός ηλεκτρικού διπόλου με αρνητικό φορτίο στο κατώτερο μέρος του και θετικό στο ανώτερο. Στην πραγματικότητα, η κατανομή των φορτίων μέσα στο νέφος είναι πιο πολύπλοκη. 13

18 Μετά από ένα κεραυνό ή εντατική πτώση βροχής, το πεδίο του εδάφους αναστρέφεται παροδικά πράγμα που προδίνει την παροδική παρουσία, θετικού φορτίου πάνω από το έδαφος. Μετρήσεις πεδίου όμως μέσα στο ίδιο το σύννεφο δεν δείχνουν τις ίδιες απότομες αλλαγές στην κατεύθυνση του πεδίου μετά από κεραυνό ή βροχή. Η τελευταία αυτή παρατήρηση οδηγεί στην υπόθεση πως η παρουσία θετικού φορτίου στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, κάτω από ένα νέφος, μπορεί να οφείλεται στη ροή φορτίων, από προεξοχές του εδάφους, υπό την επίδραση του αρνητικού φορτίου του νέφους και του εξ αυτού επαγωμένου πεδίου. 2.2 Συσσώρευση ηλεκτρικού φορτίου στα νέφη Για το μηχανισμό συγκεντρώσεως ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα, έχουν αναπτυχθεί κατά καιρούς διάφορες θεωρίες αλλά δεν έχει δοθεί, μέχρι στιγμής, γενικά παραδεκτή ερμηνεία. Οι θεωρίες αυτές μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: η μία βασίζεται στη φόρτιση των σταγονιδίων του νέφους, που συμβαίνει μόλις αρχίσει η πτώση τους προς τη γη, ενώ η άλλη βασίζεται στην μεταφορά φορτίων προς υψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας με ανοδικά ρεύματα αέρος που δημιουργούνται εξ αιτίας θερμοκρασιακών διαφορών. 2.3 Ορισμοί σχετικοί με τα μεγέθη του κεραυνού Πιο κάτω δίνονται μερικοί ορισμοί για τις διάφορες παραμέτρους του κεραυνού που συμφωνούν μ αυτούς που έχουν υιοθετηθεί από τον K.Berger. Πολικότητα κεραυνού. Η εκκένωση ενός αρνητικού νέφους προς τη γη γίνεται με ένα αρνητικό κεραυνό και ενός θετικού νέφους με ένα θετικό κεραυνό. Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού. Κατά την εκκένωση ενός αρνητικού νέφους ρέει προς τη γη ένα αρνητικό ρεύμα και αντίθετα. Κατεύθυνση οχετού προεκκενώσεως. Ένας κατερχόμενος οχετός προεκκενώσεως (που συχνά ονομάζεται και οδηγός οχετός ) προχωρεί από το σύννεφο προς το έδαφος, ένας ανερχόμενος οχετός προεκκενώσεως προχωρεί από το έδαφος προς το σύννεφο. Ένας ανερχόμενος οχετός συνδέσεως είναι μια εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά, σε μια ενδιάμεση θέση ανάμεσα σύννεφο και έδαφος, ένα κατερχόμενο οχετό. 14

19 Πολικότητα του οχετού προεκκενώσεως. Η πολικότητα ενός οχετού προεκκενώσεως ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσεως από την οποία ξεκινά. Έτσι, από ένα θετικό σύννεφο, ξεκινά ένας θετικός οχετός προεκκενώσεως και αντίθετα. Από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας αρνητικός οχετός προεκκενώσεως. Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου. Το ηλεκτρικό πεδίο κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο ορίζεται σαν αρνητικό και το αντίθετο. Σύμφωνα μ αυτό τον ορισμό, το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει θετική κατεύθυνση. [2] 2.4 Είδη κεραυνών Ο κεραυνός ξεκινά από σημεία υψηλής πεδιακής έντασης. Δύο ετερόσημα φορτία μέσα στο ίδιο σύννεφο ή δύο γειτονικά σύννεφα δημιουργούν στο διάστημα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους υψηλές πεδιακές εντάσεις, που μπορούν να προκαλέσουν μία εκκένωση εσωτερική του νέφους, ή ανάμεσα σε δύο σύννεφα. Συγκέντρωση φορτίου ενός προσήμου σε μια θέση του νέφους και το φορτίο αντίθετου προσήμου, που επάγεται εξαιτίας του, στο έδαφος, δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος μια ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων. Οι υψηλότερες εντάσεις μέσα στη ζώνη αυτή μπορεί να αναπτύσσονται είτε κοντά στο νέφος είτε, σε περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μία σημαντική προεξοχή, στην πλευρά του εδάφους. Στην πρώτη περίπτωση, η ενδεχόμενη εκκένωση που θα επακολουθήσει θα αρχίσει από το νέφος (με έναν ανερχόμενο οχετό προεκκένωσης). Έτσι διακρίνονται τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού κατερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο, ---- ανερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο, ---- κατερχόμενος θετικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο, ---- ανερχόμενος αρνητικός οχετός προεκκένωσης, που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο Αν ο οχετός προεκκένωσης, που αναπτύσσεται με έναν από τους τέσσερις πιο πάνω τρόπους, γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο σύννεφο-γη, επακολουθεί ο οχετός 15

20 επιστροφής και έτσι ολοκληρώνεται ένας από τους τέσσερις τύπους κεραυνού που εικονίζεται στο Σχήμα 2.1 στους οποίους δίνονται οι πιο κάτω ορισμοί κατερχόμενη αρνητική εκκένωση πηγάζει από ένα αρνητικό σύννεφο με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης και αποτελεί τον πιο συνηθισμένο τύπο κεραυνού που παρατηρείται στο 90% περίπου των περιπτώσεων ανερχόμενος θετικός οχετός/αρνητική εκκένωση πηγάζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο κατερχόμενη θετική εκκένωση πηγάζει από ένα θετικό σύννεφο (πολύ σπάνια περίπτωση) ανερχόμενος αρνητικός οχετός/θετική εκκένωση πηγάζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο.[1] Σχήμα 2.1: Οι 4 τύποι κεραυνών. [3] 2.5 Επιπτώσεις από πλήγματα κεραυνών Πολλές φορές παρατηρούνται επικίνδυνες επιπτώσεις σε μια κατασκευή και στο περιεχόμενο της, ως αποτέλεσμα άμεσου ή έμμεσου πλήγματος κεραυνού. Ως άμεσο πλήγμα θεωρείται η περίπτωση κατά την οποία ο κεραυνός πλήττει κατευθείαν την κατασκευή ή το συλλεκτήριο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας της. Το έμμεσο πλήγμα κεραυνού σε μια κατασκευή αναφέρεται στην περίπτωση που ο κεραυνός πλήττει τη κοντινή περιοχή της (το έδαφος ή γειτνιάζουσα κατασκευή) ή τις εισερχόμενες παροχές υπηρεσιών κοινής ωφελείας Επιπτώσεις στην ανθρώπινη ζωή Ο κεραυνός μπορεί να προκαλέσει σημαντική βλάβη ή απώλεια της ανθρώπινης ζωής: 16

21 Άμεσο πλήγμα: Σ αυτή τη περίπτωση το ανθρώπινο σώμα δέχεται απευθείας το κεραυνό αποτελώντας την άμεση διαδρομή όδευσης της εκκένωσης προς τη γη. Αν και έχει παρατηρηθεί, θεωρείται ιδιαίτερα σπάνια περίπτωση, εφόσον η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε έναν άνθρωπο εκτεθειμένο συνεχώς σε επίπεδη περιοχή μπορεί να υπολογιστεί περίπου ως ένα άμεσο πλήγμα κεραυνού ανά χρόνια. Άμεση επαφή: Εδώ το ανθρώπινο σώμα βρίσκεται σε επαφή με κάποιο αντικείμενο που πλήττεται από κεραυνό. Υπερπήδηση: Το ανθρώπινο σώμα ευρισκόμενο αρκετά κοντά σε κάποιο αντικείμενο που πλήττεται από κεραυνό παροχετεύει παράλληλα τμήμα της εκκένωσης προς τη γη ως αποτέλεσμα της ηλεκτρικής διάσπασης του διακένου αέρα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους. Βηματική τάση: Σ αυτή τη περίπτωση το ανθρώπινο σώμα υπόκειται σε υψηλή τάση λόγω της εμφάνισης διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στα πόδια η οποία οφείλεται στην ακτινική διάχυση του ρεύματος του κεραυνού στο έδαφος. Το δυναμικό του εδάφους στη περιοχή πτώσης του κεραυνού φθίνει με την απόσταση από το σημείο πλήγματος. Επιφανειακή διάσπαση του εδάφους: Σ αυτή τη περίπτωση το ανθρώπινο σώμα ευρισκόμενο αρκετά κοντά στο σημείο πλήγματος του κεραυνού αποτελεί τμήμα της διαδρομής του ηλεκτρικού τόξου της επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Η επιφανειακή διάσπαση του εδάφους δεν παρατηρείται σε κάθε περίπτωση που ο κεραυνός πλήττει ένα αντικείμενο ή το έδαφος. Το φαινόμενο είναι συνάρτηση των παραμέτρων του κεραυνού καθώς και της κατάστασης της επιφάνειας του εδάφους όπως η μορφολογία, η φύση, το ποσοστό υγρασίας, κ.α. Τυφλό τραύμα: Το ανθρώπινο σώμα εκτινάσσεται σε απόσταση είτε λόγω των έντονων μυϊκών συσπάσεων που προκαλούνται από τη ροή του ρεύματος διαμέσου του είτε του κρουστικού κύματος πίεσης που συνοδεύει την εκκένωση του κεραυνού Συνέπειες πληγμάτων κεραυνών σε κατασκευές Οι επιπτώσεις του πλήγματος του κεραυνού σε μια κατασκευή οφείλεται είτε στο ίδιο το ηλεκτρικό τόξο της εκκένωσης, είτε σε δευτερογενή φαινόμενα που παρατηρούνται κατά την διάρκεια της εκκένωσης. Ανάλογα με τα φαινόμενα και τις 17

22 επιπτώσεις που παρατηρούνται οι επιδράσεις του κεραυνού σε μια κατασκευή μπορεί να χωριστούν σε 3 κατηγορίες: Θερμικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού Το ρεύμα που ρέει στον οχετό επιστροφής είναι συγκεντρωμένο, κατά το μεγαλύτερό του μέρος στον πυρήνα του οχετού αυτού, ο οποίος έχει διάμετρο ένα ή δύο εκατοστά και η θερμοκρασία του φθάνει στους ο Κ ή και περισσότερο. Αυτή η θερμοκρασία προκαλεί ατμοποίηση των υδρατμών που υπάρχουν, δημιουργώντας έτσι τοπικά αραιώματα και πυκνώματα του αέρα, δηλαδή ένα ηχητικό κύμα, που στην αρχή βρίσκεται στην περιοχή των υπερήχων, μετά όμως καταλήγει στην βροντή. Στην μελέτη του συστήματος προστασίας, πρέπει να εξετασθούν οι συνέπειες ενός πλήγματος στην αύξηση της θερμοκρασίας των αγωγών του συστήματος, στον κίνδυνο να τρυπηθεί ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο, στη συμπεριφορά των μονωτικών, κ.λ.π. Τα θερμικά αποτελέσματα του πλήγματος εξαρτώνται όχι μόνο από το εύρος του ρεύματος, αλλά και από τη διάρκεια ροής του.[1] Μηχανικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού Οι μηχανικές συνέπειες του πλήγματος ενός κεραυνού είναι δύο κατηγοριών: α) αυτές που αφορούν στο κρουστικό κύμα που παράγεται από τον οχετό επιστροφής και β) αυτές που αφορούν στις δυνάμεις που αναπτύσσονται σε έναν ή περισσότερους αγωγούς, όταν διαρρέονται από το ρεύμα του κεραυνού. Όπως αναφέρθηκε η θερμοκρασία του οχετού προεκκένωσης μπορεί να ανέβει στους ο Κ ή περισσότερο μέσα σε λίγα μs. Αποτέλεσμα αυτού είναι ο αέρας που περιβάλλει τον οχετό να εξαπλώνεται με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα, παράγωντας έτσι ένα κύμα πίεσης το οποίο είναι αρχικά στην περιοχή των υπερήχων και μετά εξελίσσεται στη γνωστή βροντή. Αυτό το κύμα είναι επίσης υπεύθυνο για το κύμα αέρα που σηκώνει κεραμίδια οροφών, φαινόμενο που παρατηρείται μετά από ένα άμεσο πλήγμα. Είναι επίσης υπεύθυνο για τον τραυματισμό ανθρώπων. Όσον αφορά τη δεύτερη κατηγορία συνεπειών, αυτές οφείλονται στο γεγονός ότι δύο παράλληλοι αγωγοί, οι οποίοι μοιράζονται την εκφόρτιση του ρεύματος ενός κεραυνού, υπόκεινται σε ελκτικές δυνάμεις οι οποίες είναι ανάλογες του τετραγώνου 18

23 της τιμής του ρεύματος και αντιστρόφως ανάλογες της μεταξύ τους απόστασης. Τα στοιχεία ενός συστήματος προστασίας δεν τοποθετούνται τόσο κοντά ώστε να υπάρχει σημαντική επίδραση των δυνάμεων αυτών. Όμως αυτές είναι υπεύθυνες για την συγχώνευση πολύκλωνων αγωγών και για την σύνθλιψη κοίλων αγωγών.[1] Ηλεκτρικές συνέπειες ενός πλήγματος κεραυνού Μία συνέπεια ενός πλήγματος κεραυνού είναι η εσωτερική διάσπαση που μπορεί να συμβεί μεταξύ των αγωγών του συστήματος προστασίας και εσωτερικών αγώγιμων στοιχείων της κατασκευής, γνωστή και ως επικίνδυνος σπινθήρας ή side flash.[1] Οι ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις σχετίζονται με το μέγιστο εύρος και τη κλίση του μετώπου του ρεύματος. Παρατηρούνται επικίνδυνες υπερτάσεις οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν στην ηλεκτρική διάσπαση μονώσεων ως προς γη ή μεταξύ κυκλωμάτων διαφορετικής τάσης, δευτερογενείς υπερπηδήσεις με άμεσο κίνδυνο σημαντικής βλάβης ή απώλειας της ανθρώπινης ζωής, πυρκαγιάς ή έκρηξης καθώς και διαταραχής ή διακοπής της κανονικής λειτουργίας ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Ακόμη αναπτύσσονται ηλεκτρομαγνητικά και ηλεκτροστατικά πεδία με επιζήμιες συνέπειες υπό την μορφή βλαβών σε ηλεκτρονικές συσκευές και διακοπών της λειτουργίας ηλεκτρονικών συστημάτων σε εγκαταστάσεις. 19

24 3 Ανεμογεννήτρια Τα συγκροτήματα που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου (αιολική ενέργεια) σε ηλεκτρική ενέργεια λέγονται ανεμογεννήτριες ή ανεμοηλεκτρικές γεννήτριες. Οι ανεμογεννήτριες κατατάσσονται στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας τις λεγόμενες ΑΠΕ. Πριν προχωρήσουμε στην αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών κρίθηκε σκόπιμο να γίνει μια παρουσίαση των βασικών χαρακτηριστικών της ανεμογεννήτριας. 3.1 Αιολική ενέργεια Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέμου που προέρχεται από την μετακίνηση αέριων μαζών της ατμόσφαιρας. Καθώς ο αέρας θερμαίνεται, διαστέλλεται γίνεται πιο ελαφρύς, ανεβαίνει σε ύψος περίπου 10 km από το επίπεδο της θάλασσας και κατευθύνεται προς τα ψυχρότερα μέρη που είναι ο βορράς και ο νότος. Καθώς συμβαίνει αυτό η ατμοσφαιρική πίεση μειώνεται με αποτέλεσμα μάζες ψυχρού αέρα να κατευθύνονται προς την περιοχή του χαμηλού βαρομετρικού. Αυτή ακριβώς η κίνηση των αερίων μαζών δημιουργεί τον άνεμο.[4] Η αιολική ενέργεια είναι μια από τις παλαιότερες μορφές φυσικής ενέργειας. Αξιοποιήθηκε από πολύ νωρίς για την παραγωγή μηχανικού έργου και είχε αποφασιστική συμβολή στην εξέλιξη της ανθρωπότητας. Ο άνθρωπος την χρησιμοποίησε για πρώτη φορά στα ιστιοφόρα πλοία, γεγονός που συνέβαλε στην ανάπτυξη της ναυτιλίας. Για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας κατασκευάστηκε ο ανεμόμυλος, εξέλιξη του οποίου είναι η ανεμογεννήτρια που αποτελεί και την πιο σημαντική σύγχρονη εφαρμογή της αιολικής ενέργειας.[5] Τα τελευταία χρόνια λόγω του έντονου προβληματισμού για την μείωση των αποθεμάτων των συμβατικών μορφών ενέργειας και την ολοένα αυξανόμενη ρύπανση του περιβάλλοντος, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) καταλαμβάνουν συνεχώς αυξανόμενο μερίδιο στην παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η αιολική ενέργεια, ως μια μορφή ΑΠΕ, δεν θα μπορούσε να ακολουθήσει αντίθετη πορεία. Έτσι έχει εξελιχθεί και αυτή σε μια από τις βασικότερες μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. 20

25 3.2 Γενική λειτουργία ανεμογεννήτριας Η ανεμογεννήτρια μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική. Καθώς ο άνεμος περνάει από τον ανεμοκινητήρα, μέρος της κινητικής του ενέργειας δεσμεύεται από τα πτερύγια και μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια. Αυτή η ενέργεια διοχετεύεται, μέσω του μηχανικού συστήματος οδήγησης, στο ρότορα της γεννήτριας και μετατρέπεται τελικά σε ηλεκτρική. Η ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτείται στο κύριο ηλεκτρικό δίκτυο (κατευθείαν στους καταναλωτές ή σε κάποιο μέσο αποθήκευσης ενέργειας) μέσω διακοπτικού εξοπλισμού, εξοπλισμού προστασίας, μετασχηματιστών και γραμμών μεταφοράς. Ο σταθμός διαθέτει και ένα σύστημα εποπτείας και ελέγχου, ώστε να μπορεί να ανταπεξέλθει σε περιπτώσεις μεταβολών του ανέμου και αλλαγών στη δομή του κύριου δικτύου στο οποίο συνδέεται [5]. Συγκεκριμένα ο άνεμος περιστρέφει τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας τα οποία είναι συνδεμένα με ένα περιστρεφόμενο άξονα. Ο άξονας συνδέεται με ένα κιβώτιο μετάδοσης της κίνησης, όπου αυξάνεται η ταχύτητα περιστροφής, για να μεταφέρει με ένα νέο άξονα την κινητική ενέργεια σε μια γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Σε περίπτωση που η ένταση του ανέμου είναι ιδιαίτερα υψηλή, η φθορά και η καταστροφή της τουρμπίνας αποφεύγεται χάρη στην παρουσία μίας πέδης, που περιορίζει την υπερβολική αύξηση των στροφών των πτερυγίων. 3.3 Δομή της ανεμογεννήτριας Συνήθως μια ανεμογεννήτρια έχει ένα δύο ή τρία πτερύγια. Οι ανεμογεννήτριες διακρίνονται σε δύο τύπους : (1) τον τύπο κατακόρυφου άξονα και (2) τον τύπο οριζόντιου άξονα. Οι πιο σύγχρονοι τύποι ανεμογεννήτριας είναι οι οριζόντιου άξονα με δύο ή τρία πτερύγια. Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται σε αυτόνομες εφαρμογές ή σε σύνδεση με ηλεκτρικό δίκτυο ή τέλος συνδυασμένες με φωτοβολταϊκά συστήματα, μπαταρίες ή γεννήτριες ντίζελ. Οι ανεμογεννήτριες σχεδιάζονται για να λειτουργούν σε σταθερή ή μεταβαλλόμενη ταχύτητα. Οι τελευταίες παράγουν 8% έως 15% περισσότερη ενέργεια σε σχέση με τις πρώτες, αλλά απαιτούν ηλεκτρονικούς μετατροπείς ενέργειας που θα εξασφαλίζουν σταθερή συχνότητα και τάση. Οι περισσότεροι κατασκευαστές έχουν επιλέξει για τη μείωση της ταχύτητας ανάμεσα στο χαμηλής ταχύτητας στροφέα και των υψηλής ταχύτητας γεννητριών τριών φάσεων. 21

26 Εικόνα 3.1: Ανεμογεννήτρια. Η ανεμογεννήτρια αποτελείται από τρία βασικά μέρη, κάθε ένα από τα οποία αποτελούνται από άλλα επιμέρους δομικά στοιχεία. Τα τρία βασικά δομικά μέρη μιας ανεμογεννήτριας είναι τα εξής: Νασέλλα Πύργος Βάση Τύποι ανεμογεννητριών [6] Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα Στις ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος στη ροή του ανέμου και στο έδαφος. Αυτός ο τύπος ανεμογεννητριών είναι ο λιγότερα συχνά χρησιμοποιούμενος. Οι πιο γνωστοί τύποι ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι οι ανεμογεννήτριες τύπου «Darrieus» και «Savonius». Το κυριότερο πλεονέκτημα της διάταξης είναι ότι η μηχανή δε χρειάζεται να προσανατολίζεται προς τον άνεμο για να είναι αποτελεσματική, δηλαδή μπορεί να περιστρέφεται από άνεμο που έρχεται από κάθε κατεύθυνση κάθε στιγμή, οπότε δεν απαιτείται μηχανισμός προσανατολισμού. Το γεγονός αυτό δίνει πλεονέκτημα σε μέρη που υπάρχει μεγάλη μεταβλητότητα στην κατεύθυνση του ανέμου. Η ηλεκτρική γεννήτρια σε αυτές τις μηχανές μπορεί να τοποθετηθεί κοντά στο έδαφος, κάτι που συνεπάγεται μια απλή και οικονομική σχεδίαση για τον πύργο. Επίσης είναι εύκολα προσβάσιμα συστήματα και πολλές φορές δε χρειάζεται πυλώνας στήριξης. 22

27 Σημαντικό είναι επίσης ότι σε αυτές τις μηχανές ο έλεγχος βήματος πτερυγίων δεν είναι απαραίτητος όταν χρησιμοποιούνται σε σύγχρονη γεννήτρια. Υπάρχουν όμως και κάποια σοβαρά μειονεκτήματα που δεν κάνουν τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα τόσο λειτουργικές. Το κυριότερο πρόβλημα είναι πολλές φορές δεν είναι δυνατόν να ξεκινήσουν να περιστρέφονται χωρίς εξωτερική παρέμβαση, μιας και η ροπή εκκίνησης τους είναι πάρα πολύ υψηλή. Επίσης σημαντικό είναι το γεγονός πως έχουν μικρή σχετικά απόδοση μιας και η ταχύτητα του ανέμου σε αυτά τα ύψη είναι σχετικά χαμηλή και επίσης κατά την περιστροφή τους, υπάρχουν σημεία στα οποία η συνεισφορά του ανέμου είναι σχεδόν μηδενική Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Στις ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος στη ροή του ανέμου και οριζόντιος ως προς το έδαφος. Όλες οι ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου χαρακτηρίζονται από ένα στροφέα τύπου προπέλας που στηρίζεται πάνω ένα οριζόντιο άξονα, ενώ οι περισσότερες έχουν δύο ή τρία πτερύγια. Πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα, που κάνουν τόσο δημοφιλή αυτού του τύπου τις ανεμογεννήτριες, είναι ότι δε χρειάζονται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, εμφανίζουν υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή, ενώ είναι εύκολη η συναρμολόγησή τους. Το μεγάλο μειονέκτημα των ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα είναι ότι η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να τοποθετηθούν πάνω στον πύργο, γεγονός που κάνει την κατασκευή τους ακριβή και πιο δύσκολη. Επίσης σε σχέση προς τις ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα, εδώ χρειάζεται ενεργός μηχανισμός περιστροφής ή συνηθέστερα ένα ουριαίο πτερύγιο για τον προσανατολισμό στην κατεύθυνση του ανέμου. 23

28 Εικόνα 3.2: Ανεμογεννήτριες οριζόντιου και κάθετου άξονα. [7] Περιγραφή δομικών στοιχείων ανεμογεννήτριας [7], [8] 1)Νασέλλα: Η νασέλλα αποτελεί το ογκώδες οριζόντιο τμήμα που είναι τοποθετημένο στην κορυφή του πύργου της ανεμογεννήτριας και στο οποίο εφάπτεται ο στροφέας. Η νασέλλα περιλαμβάνει το σύστημα μετάδοσης (κιβώτιο ταχυτήτων), τους άξονες χαμηλής και υψηλής ταχύτητας, τη γεννήτρια, τον ελεγκτή και την πέδη. Εικόνα 3.3: Δομικά στοιχεία Ανεμογεννήτριας. [6] 24

29 2) Στροφέας: Ο στροφέας αποτελείται από τον άξονα και τα πτερύγια. 3) Πτερύγια: Οι περισσότεροι στρόβιλοι αποτελούνται από δύο ή τρία πτερύγια. Η κίνηση του ανέμου πάνω από τα πτερύγια προκαλεί την περιστροφή τους και μέσω ενός κεντρικού άξονα μετατρέπει την κίνηση του ανέμου σε κυκλική κίνηση στην ανεμογεννήτρια. Το βασικό χαρακτηριστικό των πτερυγίων είναι το αεροδυναμικό τους σχήμα, που διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην απόδοσή τους. Οι περισσότερες ανεμογεννήτριες αποτελούνται από τρία πτερύγια, ενώ δύο πτερύγια συναντώνται συνήθως σε πολύ μικρές ανεμογεννήτριες για διευκόλυνση σε επίπεδο κατασκευής και εγκατάστασης. Η ένταση των δονήσεων μειώνεται με μεγαλύτερο αριθμό πτερυγίων ενώ ο θόρυβος και η φθορά είναι γενικά μειωμένα και η αποτελεσματικότητα υψηλότερη με τρία αντί για δύο πτερύγια. Οι ανεμογεννήτριες με μεγαλύτερο αριθμό μικρότερων πτερυγίων λειτουργούν σε χαμηλότερο αριθμό Reynolds οπότε και είναι λιγότερο αποδοτικές. Τέλος με την αύξηση του αριθμού των πτερυγίων αυξάνει και το κόστος της εγκατάστασης της ανεμογεννήτριας. Τα σύγχρονα πτερύγια κατασκευάζονται από ελαφρύ πλαστικό ενισχυμένο με γυαλί, ενώ μικρότερου μεγέθους πτερύγια κατασκευάζονται από αλουμίνιο ή λεπτά στρώματα ξύλου. Εικόνα 3.4: Ο σχεδιασμός του στροφέα και των πτερυγίων μιας ανεμογεννήτριας. [7] 25

30 4) Άξονας χαμηλής ταχύτητας: Ο άξονας χαμηλής ταχύτητας συνδέεται μεταξύ του στροφέα και του συστήματος μετάδοσης. Ο στροφέας κινεί τον άξονα χαμηλής ταχύτητας περίπου περιστροφές το λεπτό. 5) Σύστημα μετάδοσης: Το σύστημα μετάδοσης συνδέει τον άξονα χαμηλής ταχύτητας με τον άξονα υψηλής ταχύτητας και αυξάνει την ταχύτητα περιστροφής από περιστροφές το λεπτό (rpm) σε rpm, δηλαδή την ταχύτητα περιστροφής που απαιτείται από τις περισσότερες γεννήτριες για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Το σύστημα μετάδοσης αποτελεί ένα ακριβό και βαρύ δομικό στοιχείο της ανεμογεννήτριας. Ανεμογεννήτριες μέχρι 150 kw έχουν σύστημα μετάδοσης δύο επιπέδων, ενώ ανεμογεννήτριες 300 kw έχουν σύστημα τριών επιπέδων (δύο επίπεδα και ένας ενδιάμεσος άξονας) και αυτές άνω των 450 kw έχουν σύστημα μετάδοσης δύο επιπέδων σε συνδυασμό με ένα οδοντωτό τροχό. 6) Άξονας υψηλής ταχύτητας: Ο άξονας υψηλής ταχύτητας συνδέεται μεταξύ του συστήματος μετάδοσης και της γεννήτριας. Το σύστημα μετάδοσης κινεί τον άξονα και αυτός με τη σειρά του κινεί τη γεννήτρια παρέχοντάς της υψηλή ταχύτητα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. 7) Γεννήτρια: Μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέμου σε εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα. 8) Ελεγκτής: Η βασική λειτουργία του ελεγκτή είναι να δίνει εντολές στον κινητήρα παρεκτροπής σχετικά με το πόσο και προς τα που να στρέψει τη νασέλλα, έτσι ώστε ο στροφέας να βρίσκεται πάντα κόντρα στη ροή του ανέμου. Ανάλογα με τα δεδομένα που λαμβάνει από το ανεμόπτερο, ενεργοποιεί τη λειτουργία του στροφέα για ταχύτητες ανέμου 8-16 μιλίων την ώρα, ενώ για ταχύτητες μεγαλύτερες από 65 μίλια ανά ώρα σταματά τη λειτουργία του στροφέα, λόγω κινδύνου υπερθέρμανσης της γεννήτριας. Επιπλέον ο ελεγκτής καταγράφει διάφορες παραμέτρους της λειτουργίας της ανεμογεννήτριας όπως είναι η τάση, το ρεύμα, η συχνότητα, η θερμοκρασία της νασέλλας και της γεννήτριας, το επίπεδο υδραυλικής πίεσης και το επίπεδο δόνησης. 9) Πέδη: Αποτελεί ένα δισκόφρενο, το οποίο μπορεί να εφαρμοστεί μηχανικά, ηλεκτρικά ή υδραυλικά με σκοπό να σταματήσει το στροφέα σε καταστάσεις που ενέχουν κίνδυνο έκτακτης ανάγκης. Ο έλεγχος της υπερβολικής ταχύτητας στις ανεμογεννήτριες εξασφαλίζεται με δύο τρόπους: αεροδυναμικά ή με μηχανική πέδηση. Ο έλεγχος της υπερβολικής ταχύτητας αεροδυναμικά αποτελεί την καλύτερη μέθοδο για την επιβράδυνση της 26

31 ανεμογεννήτριας. Το φρενάρισμα της ανεμογεννήτριας μπορεί να επιτευχθεί με τη μεταφορά ενέργειας από τη γεννήτρια, μετατρέποντας την κινητική ενέργεια της περιστροφής του στροφέα σε θερμότητα. Αυτή η μέθοδος είναι χρήσιμη στις περιπτώσεις που η κινητική ενέργεια στη γεννήτρια μειώνεται ξαφνικά ή είναι πολύ μικρή για να διατηρήσει την ταχύτητα του στροφέα στα επιτρεπτά επίπεδα. Το κυκλικά επαναλαμβανόμενο φρενάρισμα μειώνει σταδιακά και ελεγχόμενα την ταχύτητα των πτερυγίων. Με αυτόν τον τρόπο, η περιστροφή του στροφέα διατηρείται σε ασφαλή ταχύτητα, ακόμα και στις περιπτώσεις ανέμων υψηλών ταχυτήτων, διατηρώντας ταυτόχρονα, την παραγωγή ενέργειας σε κανονικά επίπεδα. Σε περιπτώσεις εργασιών συντήρησης, ο στροφέας σταματά να περιστρέφεται με τη βοήθεια ενός μηχανικού δισκόφρενου. Τα δισκόφρενα εφαρμόζονται αφού έχει μειωθεί ήδη η ταχύτητα του στροφέα με ηλεκτρομαγνητική πέδηση, καθώς τα μηχανικά φρένα θα φθαρθούν εύκολα εάν εφαρμοστούν για να σταματήσουν τον στροφέα από τη πλήρη ταχύτητα. 10) Μηχανισμός και κινητήρας παρεκτροπής: Ο μηχανισμός παρεκτροπής αποτελεί ένα μηχανισμό που στρέφει το στροφέα και επομένως ολόκληρη τη νασέλλα έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ότι βρίσκεται κόντρα στην κατεύθυνση του ανέμου. Κάτω από τον τροχό του μηχανισμού παρεκτροπής βρίσκεται ο μηχανισμός παρεκτροπής, ο οποίος τον θέτει σε κίνηση. 11) Ανεμόμετρο: Υπολογίζει την ταχύτητα του ανέμου και μεταφέρει τα σχετικά δεδομένα της μέτρησης στον ελεγκτή. 12) Ανεμοδείκτης: Αποτελεί ένα μηχανισμό που ενημερώνει τον ελεγκτή σχετικά με την κατεύθυνση του ανέμου, ώστε να ενεργοποιηθεί ανάλογα ο μηχανισμός παρεκτροπής. 13) Πλήμνη: Αποτελεί το σημείο στο οποίο στερεώνονται τα πτερύγια και κατασκευάζεται από χυτοσίδηρο. 14) Πύργος: Ο πύργος είναι το τμήμα της ανεμογεννήτριας πάνω στον οποίο στηρίζεται η νασέλλα και ο στροφέας. Το ύψος της ανεμογεννήτριας αποτελεί ένα σημαντικό παράγοντα κατά το σχεδιασμό των ανεμογεννητριών του τύπου του οριζόντιου άξονα. Καθώς η ταχύτητα του ανέμου αυξάνει με το ύψος, οι πιο υψηλοί πύργοι επιτρέπουν την παραγωγή περισσότερου ηλεκτρικού ρεύματος. Η μεταβολή της ταχύτητας με το ύψος, που ονομάζεται διάτμηση του ανέμου είναι εντονότερη κοντά στην επιφάνεια της γης. Χαρακτηριστικά κατά τη διάρκεια της ημέρας η 27

32 αύξηση της ταχύτητας του ανέμου είναι ανάλογη με την έβδομη ρίζα του ύψους. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ο διπλασιασμός του ύψους του πύργου αυξάνει τις αναμενόμενες ταχύτητες του ανέμου κατά 10% και την αντίστοιχη παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια κατά 34%. Ο διπλασιασμός του ύψους του πύργου απαιτεί βέβαια και αντίστοιχο διπλασιασμό της διαμέτρου και επομένως και των κατασκευαστικών υλικών που απαιτούνται, αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο και το κόστος κατασκευής. Κατά τη διάρκεια της νύχτας, όταν η ατμόσφαιρα είναι περισσότερο σταθερή, η ταχύτητα του ανέμου κοντά στο έδαφος μειώνεται σε αντίθεση με το ύψος που βρίσκεται ο στροφέας της ανεμογεννήτριας στο οποίο μπορεί ακόμα και να αυξηθεί. Επομένως, καθώς η ανεμογεννήτρια θα παράγει περισσότερη ενέργεια κατά τη διάρκεια της νύχτας, με το διπλασιασμό του ύψους του πύργου, η ταχύτητα του ανέμου αυξάνει κατά 20%-60%. Για τις ανεμογεννήτριες του τύπου του οριζόντιου άξονα η επιλογή του κατάλληλου ύψους γίνεται με βάση το συνδυασμό της αύξησης της παραγωγής ενέργειας και της αντίστοιχης αύξησης του κόστους κατασκευής. Η συνθήκη αυτή επιτυγχάνεται για ύψη διπλάσια ή τριπλάσια του μήκους των πτερυγίων. Οι πύργοι των μεγάλων ανεμογεννητριών μπορεί να είναι σωληνοειδείς χαλύβδινοι πύργοι, πύργοι δικτυωτού χαλύβδινου πλέγματος ή συμπαγείς τσιμεντένιοι πύργοι. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι πύργοι είναι οι σωληνοειδείς χαλύβδινοι, που κατασκευάζονται από κωνικά χαλύβδινα τμήματα ύψους 20-30m. Οι πύργοι δικτυωτού χαλύβδινου πλέγματος, παρά το γεγονός υπερτερoύν από άποψη κόστους σε σχέση με τους προηγούμενους που απαντώνται σπανιότερα Χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών [9] Ισχύς του ανέμου Άνεμος είναι απλώς αέρας σε κίνηση. Ο αέρας έχει μάζα αν και αρκετά χαμηλής πυκνότητας που όταν έχει ταχύτητα, ο προκύπτων άνεμος έχει κινητική ενέργεια ανάλογη του ½ m V 2. Αν ρ είναι η πυκνότητα του αέρα, που μεταβάλλεται με το ύψος και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Τυπική τιμή 1,3 Kg/m 3, V είναι η ταχύτητα του ανέμου και 28

33 S είναι η επιφάνεια που διαπερνάει κάθετα ο άνεμος, τότε m = ρ S V μάζα αέρα που περνάει στη μονάδα του χρόνου, οπότε η κινητική ενέργεια που περνάει από την επιφάνεια στη μονάδα του χρόνου (ισχύς) είναι: P Α =1/2 ρ S V. V 2 = 1/2 ρ S V 3 (1) Αυτή είναι η ολική ισχύς που υπάρχει στον άνεμο και μπορεί να δεσμευθεί με ένα ανεμοκινητήρα. Στην πραγματικότητα μόνο ένα κλάσμα P Μ αυτής της ισχύος μπορεί να δεσμευθεί, διότι αφενός μεν ο αέρας πρέπει να απομακρύνεται από τον ανεμοκινητήρα με κάποια ταχύτητα, αφ ετέρου δε η φτερωτή του ανεμοκινητήρα προκαλεί εκτροπή μέρους του αέρα, το οποίο την παρακάμπτει χωρίς να τη διαπεράσει. Ονομάζουμε συντελεστή ισχύος C P ενός ανεμοκινητήρα τον λόγο: C P = P Μ / P Α = P Μ /1/2 ρ S V 3 = = Μηχανική Ισχύς που παράγεται / Ισχύς του ανέμου που διαπερνάει την S. Από τη σχέση (1) φαίνεται ότι η παραγόμενη ισχύς είναι ανάλογη του κύβου της ταχύτητας του ανέμου. Επειδή η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να μεταβληθεί ουσιαστικά ακόμα και σε πολύ κοντινές αποστάσεις, η παραγόμενη ισχύς και ενέργεια μιας ανεμογεννήτριας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θέση εγκατάστασής της. Μια ανεμογεννήτρια χαρακτηρίζεται από τρεις τιμές της ταχύτητας: Την ταχύτητα έναρξης (V i ): Είναι η ελάχιστη ταχύτητα ανέμου για την οποία η μηχανή αρχίζει να παράγει ισχύ. Την ονομαστική ταχύτητα (V R ): Είναι η ταχύτητα ανέμου για την οποία η ισχύς που παράγεται γίνεται ίση με την ονομαστική ισχύ (δηλ. τη μέγιστη). Την ταχύτητα αποσύζευξης (V 0 ): Είναι η μέγιστη ταχύτητα ανέμου για την οποία η μηχανή λειτουργεί χωρίς σοβαρό κίνδυνο βλάβης. Για V > V max η ανεμογεννήτρια ακινητοποιείται για ασφάλεια. Ο προσδιορισμός των V i, V R, V 0, P R μιας ανεμογεννήτριας για μια συγκεκριμένη θέση είναι αντικείμενο βελτιστοποίησης που παίρνει υπόψη τις ενεργειακές ανάγκες, στοιχεία κόστους και ανεμολογικά δεδομένα. Εμπειρικά, η ετήσια παραγωγή ενέργειας είναι μέγιστη όταν η V R είναι 1,5-2 φορές μεγαλύτερη από τη μέση ταχύτητα του ανέμου στη συγκεκριμένη θέση. 29

34 Μια άλλη παράμετρος είναι η Ειδική Ενέργεια Εξόδου T S, η οποία είναι η ολική ενέργεια που παράγεται σε ένα έτος (KWH) προς την ονομαστική ισχύ (KW). Εξαρτάται από την εκλογή της V R και τα ανεμολογικά δεδομένα της θέσεως και μπορεί να θεωρηθεί ως ο ισοδύναμος αριθμός ωρών λειτουργίας με ονομαστική ισχύ εξόδου. 30

35 4 Κεραυνικό πλήγμα σε ανεμογεννήτρια Τα πρόσφατα χρόνια οι καταστροφές, που οφείλονται σε κεραυνικά πλήγματα σε ανεμογεννήτριες έχουν αυξηθεί, καθώς ο αριθμός και το μέγεθός τους έχουν αυξηθεί ραγδαία. Εξαιτίας της τοποθέτησης τους σε περιοχές εκτεθειμένες σε κεραυνούς αλλά και του συνολικού τους ύψους οι ανεμογεννήτριες είναι συχνά εκτεθειμένες σε άμεσα κεραυνικά πλήγματα. Ο κίνδυνος να πληγεί από κεραυνό αυξάνει γραμμικά με το ύψος της κατασκευής. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα με πτερύγια μπορεί να ξεπεράσουν τα 150m, γεγονός που τις καθιστά ιδιαίτερα εκτεθειμένες σε κεραυνικά πλήγματα. Όταν ο κεραυνός πλήξει τα πτερύγια το ρεύμα διασχίζει όλη την κατασκευή και οδηγείται στο έδαφος. Πιο συγκεκριμένα το ρεύμα περνά μέσα από το πτερύγιο και από τα ρουλεμάν βήματος του πτερυγίου και οδηγείται στην πλήμνη και στον κύριο άξονα. Μετά μέσω του ρουλεμάν του κύριου άξονα κατευθύνεται προς τη νασέλλα και τέλος μέσω του ρουλεμάν παρέκκλισης εισέρχεται στον πύργο και καταλήγει στο έδαφος μέσω της βάσης. Η αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες, με σημαντικότερη την προστασία των περιστρεφόμενων πτερυγίων. Τα κεραυνικά πλήγματα επηρεάζουν αρχικά τα συστήματα ελέγχου, στη συνέχεια τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά συστήματα και τελευταία τα πτερύγια και τους αισθητήρες. Τα μηχανικά τμήματα, όπως τα συστήματα πέδησης (αν υπάρχουν) τα μηχανικά φρένα και η ηλεκτρική γεννήτρια δεν επηρεάζονται σε υψηλό βαθμό. [10] 4.1 Πτερύγια Οι καταστροφές στα πτερύγια των ανεμογεννητριών, που οφείλονται σε κεραυνούς, είναι αρκετά σοβαρές ενώ το κόστος της αντικατάστασης είναι υψηλό και ο αναγκαίος χρόνος επισκευής είναι μεγάλος. Είναι σημαντικό να αποσαφηνιστούν τα αποτελέσματα της ενέργειας του ρεύματος του κεραυνού που προκαλούν την διακοπή της λειτουργίας των πτερυγίων της ανεμογεννήτριας. Στην προσπάθεια να κατέχουμε το πρόσθετο επιστημονικό υπόβαθρο για να μελετήσουμε το IEC , οι Blas Hermoso και Shigeru Yokoyama [11] παρουσίασαν τις δραστηριότητες της ομάδας CIGRE WG C4-409, που δουλεύει με στόχο την καλλίτερη ερμηνεία και αξιολόγηση της συμμετοχής των 31

36 διαφορετικών παραμέτρων του κεραυνού στο μηχανισμό καταστροφής των πτερυγίων, ώστε να επιτευχθεί καλλίτερη αντικεραυνική προστασία για τα πτερύγια, ειδικά όταν το ηλεκτρικό φορτίο του κεραυνού είναι ίσο ή μεγαλύτερο των 300 Q Πρότυπο IEC «Μηχανικό Σύστημα Ανεμογεννήτριας-Μέρος 24 : Αντικεραυνική Προστασία» [11] Το πρότυπο TR IEC , στην παράγραφο 6.1, αναφέρεται στη δομή του πτερυγίου: «Τα κεραυνικά πλήγματα σε μη αγώγιμα πτερύγια μπορούν να εξηγηθούν από το γεγονός ότι η ρύπανση και το νερό καθιστούν αυτά τα πτερύγια, με το πέρασμα του χρόνου, περισσότερο αγώγιμα». Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε εργαστήρια υψηλών τάσεων έδειξαν ότι το τόξο επαφής ενός μη αγώγιμου πτερυγίου, που έχει ψεκαστεί με αλατούχο νερό, δε διαφέρει από το αντίστοιχο ενός μεταλλικού πτερυγίου. Η πρακτική εμπειρία έχει δείξει ότι σε μη αγώγιμα πτερύγια προκαλούνται συχνά σοβαρές βλάβες από κεραυνικά πλήγματα. Στην παράγραφο 6.2 αναφέρεται ότι: «οι τυπικές καταστροφές στα σημεία επαφής του κεραυνού είναι η αποπλαστικοποίηση και η αποτέφρωση των σύνθετων επιφανειών και το λιώσιμο ή η θέρμανση των μεταλλικών εξαρτημάτων». «Η πιο σοβαρή ζημιά των πτερυγίων των ανεμογεννητριών προκαλείται όταν το τόξο του κεραυνού εισχωρεί στο εσωτερικό του πτερυγίου. Το τόξο δημιουργείται στον αέρα που γεμίζει τις κοιλότητες του εσωτερικού του πτερυγίου και κατά μήκος των εσωτερικών επιφανειών. Ένας άλλος τύπος βλάβης εμφανίζεται όταν το κεραυνικό ρεύμα ή μέρος του διέρχεται μέσα ή ανάμεσα από τα στρώματα των σύνθετων υλικών, πιθανώς επειδή αυτά τα στρώματα συγκρατούν υγρασία. Το κύμα πίεσης που δημιουργείται από τέτοια εσωτερικά τόξα μπορεί κυριολεκτικά να κάνει το πτερύγιο να εκραγεί και να προκαλέσει το σκίσιμο της επιφάνειάς του. Ο βαθμός της ζημιάς κυμαίνεται από επιφανειακό σπάσιμο έως πλήρη αποσύνθεση του πτερυγίου». «Το φαινόμενο που ευθύνεται για αρκετές διαρθρωτικές ζημιές στα πτερύγια των ανεμογεννητριών οφείλεται στο σχηματισμό ενός κύματος πίεσης γύρω από το τόξο του κεραυνού στο εσωτερικό του πτερυγίου. Μικρότερες ζημιές προκαλούνται όταν το τόξο του κεραυνού εφαρμόζεται στην εξωτερική επιφάνεια». Στην παράγραφο 8.1 βρίσκουμε μια σημαντική αναφορά του προτύπου IEC , η οποία αναφέρει ότι: «Τα πτερύγια των ανεμογεννητριών είναι τα πιο εκτεθειμένα 32

37 μέρη τους, και τυγχάνουν των πλήρων επιπτώσεων από τα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούνται από τη διαδικασία επαφής του κεραυνού, τα κεραυνικά ρεύματα και το μαγνητικό πεδίο αυτών των ρευμάτων» Πιθανός μηχανισμός καταστροφής και καύσης των πτερυγίων [11] Πτερύγια κατασκευασμένα από μονωτικά υλικά Οι Y.Hongo και S.Yokoyama [18] εξηγούν ότι, όπως θα αναμενόταν υπάρχουν, περισσότερες πιθανότητες κεραυνικού πλήγματος σε πτερύγια με μεταλλικούς υποδοχείς σε σχέση με τα πτερύγια χωρίς μεταλλικά μέρη. Από τη στιγμή όμως που ένα πτερύγιο, ανεξάρτητα από τον τύπο του, πληγεί από κεραυνό το σπάσιμο ή η αποσύνθεση λαμβάνουν χώρα εύκολα ακολουθώντας τον παρακάτω μηχανισμό: Η εκκένωση διεισδύει στις κοιλότητες του πτερυγίου και η εσωτερική πίεση αυξάνεται ραγδαία από τη θέρμανση του αέρα ή την εξάτμιση της υγρασίας. Το ρεύμα που ρέει στις επικολλημένες επιφάνειες προκαλεί σπάσιμο στο άκρο του πτερυγίου. Εμφανίζεται ανάφλεξη του ακραίου τμήματος του πτερυγίου. Κάτω από συνθήκες ρύπανσης, ακόμη και τα πτερύγια που είναι κατασκευασμένα μόνο από μονωτικά υλικά έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά, όσο αφορά την επαφή του κεραυνού, με αυτά με μεταλλικά μέρη. Επίσης η πιθανότητα της επαφής του κεραυνού σε πτερύγια ανεμογεννητριών που έχουν ρυπανθεί με θαλασσινό νερό είναι μεγαλύτερη από αυτά που δεν έχουν ρυπανθεί. Όσον αφορά το κεραυνικό πλήγμα σε μονωμένα πτερύγια, ο μηχανισμός της επακόλουθης ρήξης ή της καύσης δε διαφέρει από την αντίστοιχη διαδικασία σε μονωμένα πτερύγια χωρίς ρύπανση. 33

38 Εικόνα 4.1: Εκκένωση σε μη ρυπασμένο και σε ρυπασμένο πτερύγιο αντίστοιχα. [19] Το πρόβλημα της υγρασίας στο εσωτερικό των πτερυγίων Ο R. Kithil από το διεθνές ινστιτούτο αντικεραυνικής προστασίας (NSLI) [12] εξηγεί το πρόβλημα της υγρασίας στο εσωτερικό των πτερυγίων διαμέσου των παρακάτω βημάτων. Οι διαδικασίες συμπύκνωσης εξαρτώνται από την υγρασία, την πίεση και τη θερμοκρασία. Οι αλλαγές στις συνθήκες του περιβάλλοντος δημιουργούν διαφορές στην πίεση των υδρατμών από τα εξωτερικά στα εσωτερικά υλικά. Οι υδρατμοί μπορεί να προκαλέσουν συμπύκνωση στις εσωτερικές επιφάνειες των πτερυγίων. Οι ατμοί πολυουρεθάνης, που χρησιμοποιούνται ως διαρθρωτικοί ορθοστάτες και ως κυψελοειδές υλικό των στρωμάτων που βρίσκονται ανάμεσα στα φύλλα από φάιμπεργκλας, μπορεί να έχουν διάφορους βαθμούς απορρόφησης και διαπερατότητας: Η υγρασία, που διεισδύει σε διαφορετικές τοποθεσίες στο εσωτερικό των πτερυγίων, μπορεί να προκαλέσει ανισορροπίες. Η υγρασία μπορεί να διεισδύσει διαμέσου ρωγμών, που οφείλονται σε προηγούμενα κεραυνικά πλήγματα. Οι επιδιορθώσεις καθιστούν την επιφάνεια πορώδη κάτι που μπορεί να οδηγήσει σε μελλοντική είσοδο του νερού. 34

39 Ο συνδυασμός της υψηλής θερμοκρασίας του κεραυνού και της εναπομένουσας υγρασίας μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της πίεσης. Αποπλαστικοποίηση, έκρηξη, πυρόληση των άκρων είναι ζημιές που μπορεί να προκαλέσει η φωτιά, που οφείλεται στην παρουσία υδραυλικών υγρών ή λιπαντικών. Η καταστροφή των πτερυγίων των ανεμογεννητριών δημιουργεί πολυδάπανες επισκευές και απώλεια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Το πρόβλημα της ηλεκτρικής εκκένωσης [13] Πολλά δεδομένα από παρατηρήσεις δείχνουν ότι τα ρεύματα του κεραυνού με θετική πολικότητα αντιστοιχούν στο 30% έως 50% του ολικού ρεύματος κεραυνού κατά τη διάρκεια του χειμώνα στην παράκτια περιοχή της θάλασσας της Ιαπωνίας. Τα αντίστοιχα ρεύματα κεραυνού με θετική πολικότητα κατά την καλοκαιρινή περίοδο αντιστοιχούν στο 10%. Κατά τη διάρκεια του χειμώνα για μερικούς κεραυνούς παρατηρείται ασυνήθιστα μεγάλος χρόνος διάρκειας. Η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου εκφράζεται από το χρόνο ολοκλήρωσης ενός στιγμιαίου ρεύματος κεραυνού. Οι χειμερινοί κεραυνοί χαρακτηρίζονται από πολλές αστραπές, των οποίων το ηλεκτρικό φορτίο ξεπερνά τα 300 coulombs, ενώ οι αντίστοιχες τιμές των καλοκαιρινών κεραυνών είναι τουλάχιστον 100 φορές μικρότερες. Αυτός είναι ο λόγος που ένα άμεσο κεραυνικό πλήγμα μπορεί εύκολα να προκαλέσει καύση ή καταστροφή των πτερυγίων. Οι βλάβες των πτερυγίων μιας ανεμογεννήτριας εξαρτώνται από την ενέργεια του ρεύματος του κεραυνού, μετά την κεραυνική εκκένωση στα πτερύγια. Οι επιπτώσεις της ενέργειας του ρεύματος του κεραυνού είναι σημαντικές και ερμηνεύονται με τους παρακάτω μηχανισμούς: Όταν ένα κεραυνικό πλήγμα έρχεται σε επαφή με ένα μονωμένο πτερύγιο και η κεραυνική εκκένωση διεισδύσει εντός του πτερυγίου, η πίεση του αερίου στην εσωτερική κοιλότητα του πτερυγίου αυξάνει με την εξάτμιση της υγρασίας ή από την επέκταση του αέρα. Ο χρόνος που διαρκεί ένα τόξο και το μήκος του παίζουν σημαντικό ρόλο στην πίεση του αερίου. Το μήκος του μπορεί να προσδιοριστεί από την 35

40 απόσταση μεταξύ του σημείου επαφής της εκκένωσης και του μεταλλικού τμήματος του πτερυγίου. Στα πτερύγια που είναι εφοδιασμένα με κυκλικό υποδοχέα, η κεραυνική εκκένωση μπορεί να φτάσει στον υποδοχέα κατευθείαν ή επιφανειακά, μέσω ενός μονωμένου τμήματος. Στην τελευταία περίπτωση, ένα μονωμένο υλικό καίγεται ή απανθρακώνεται από την ενέργεια της κεραυνικής εκκένωσης. 4.2 Έδρανα κύλισης Το κεραυνικό ρεύμα μετά από την διέλευσή του από το πτερύγιο της ανεμογεννήτριας περνά από τα υπόλοιπα μέρη της στη διαδρομή του προς το έδαφος. Όλο ή μέρος του ρεύματος του κεραυνού θα περάσει από τα έδρανα κύλισης της ανεμογεννήτριας. Ενδέχεται και ένα μέρος του ρεύματος να συνεχίσει τη διαδρομή του κατά μήκος του άξονα προς τη γεννήτρια. Τα έδρανα που συναντά κανείς σε μια ανεμογεννήτρια είναι τα έδρανα βήματος πτερυγίων, το κύριο αξονικό έδρανο κύλισης, τα έδρανα του κιβωτίου ταχυτήτων, το έδρανο αλλαγής κατεύθυνσης και τα έδρανα της γεννήτριας. Τα έδρανα βήματος πτερυγίων και τα έδρανα αλλαγής της κατεύθυνσης είναι στάσιμα ή αργά περιστρεφόμενα σε αντίθεση με τα έδρανα του κιβωτίου ταχυτήτων, της γεννήτριας και του κύριου αξονικού εδράνου που περιστρέφονται γρήγορα. 36

41 Εικόνα 4.3: (α) Κύριο έδρανο κύλισης, (β) Έδρανο κύλισης της γεννήτριας, (γ) Έδρανο βήματος πτερυγίων και (δ) Έδρανο συστήματος κλίσης. [19] Φθορές εδράνων από την διαρροή του κεραυνικού ρεύματος [14] [15] Η πρακτική εμπειρία σχετικά με τις βλάβες λόγω πτώσης κεραυνού στα έδρανα κύλισης της ανεμογεννήτριας είναι πολύ μικρή, γιατί συνήθως δεν ελέγχεται η επίδραση της διέλευσης του ρεύματος κεραυνού μετά από κάθε πτώση κεραυνού. Υπάρχουν επιβεβαιωμένες περιπτώσεις φθορών που προκαλούνται στα έδρανα κύλισης λόγω του ρεύματος του κεραυνού. Παρόλα αυτά όμως οι βλάβες των εδράνων δεν είναι πάντα εύκολο να αποδοθούν σε κεραυνό, διότι το παραμορφωμένο και λιωμένο υλικό που θα προκύψει δεν είναι δυνατό να μας δείξει από πού προήλθε η ζημιά. Υπάρχουν ωστόσο περιπτώσεις που ο κεραυνός εμφανίζεται ως κύρια αιτία καταστροφής του εδράνου. Ιδιαιτέρως δύο ή τρεις περιπτώσεις βλαβών σε ανεμογεννήτριες αποτέλεσαν αντικείμενο ιδιαίτερης προσοχής λόγω του υψηλού κόστους επισκευής. Στις περιπτώσεις αυτές προκλήθηκε φθορά στα πτερύγια, και μετά μικρό χρονικό διάστημα αναπτύχθηκε σημαντική φθορά στα μεγάλα κύρια έδρανα κύλισης. Τέτοιες επισκευές των μερών αυτών είναι πολύ δαπανηρές και 37

42 ιδιαίτερα για ανεμογεννήτριες εγκατεστημένες παράκτια. Το κόστος επιδιόρθωσης της βλάβης είναι μεγάλο γιατί η επισκευή των εδράνων απαιτεί μετακίνηση όλης της νασέλλας και του ρότορα της ανεμογεννήτριας. Μια αναφορά τεκμηριώνει ότι το έδρανο κύλισης μιας ανεμογεννήτριας αποσυναρμολογήθηκε αμέσως μετά από πλήγμα κεραυνού και η ανεμογεννήτρια τέθηκε εκτός λειτουργίας αμέσως μετά το κεραυνικό πλήγμα. Διάβρωση και εκδορές στο μέταλλο έως και 3mm σε διάμετρο βρέθηκαν στο περίπου 1/3 των σφαιριδίων του εδράνου. Παρόμοια σημάδια παρατηρήθηκαν και στον οδηγό του εδράνου. Σύμφωνα με τον κατασκευαστή του εδράνου, ο χρόνος ζωής του εδράνου θα μειώνονταν στο 1/3 της διάρκειας ζωής που σχεδιάστηκε να έχει το έδρανο κύλισης. Δεν έχει διερευνηθεί ιδιαίτερα η επίδραση της βλάβης που προκαλείται από την διέλευση του ρεύματος του κεραυνού διαμέσου των εδράνων. Έχουν ωστόσο διεξαχθεί εργαστηριακά πειράματα που οδήγησαν σε χρήσιμα συμπεράσματα που αναφέρονται παρακάτω. Σε στάσιμα ή αργά κινούμενα έδρανα βήματος πτερυγίων πραγματοποιήθηκαν δοκιμές, που προσομοιώθηκε το πλήγμα κεραυνού με διάφορους τρόπους. Παρουσιάστηκε επίδραση στην επιφάνεια μόνο μερικών σφαιριδίων που ήταν ασήμαντη. Το συμπέρασμα ήταν ότι τα έδρανα αυτά αντέχουν στις επιδράσεις της διέλευσης του ρεύματος του κεραυνού χωρίς να υφίστανται σημαντική φθορά. Όσο όμως μειωνόταν ο αριθμός των σφαιριδίων και όσο αυξανόταν το μηχανικό φορτίο που εφαρμοζόταν η πιθανότητα βλάβης αυξανόταν. Τα έδρανα στα οποία εφαρμόστηκε μεγαλύτερο φορτίο εμφάνισαν φθορές σε αυλακωτή μορφή κατά μήκος της ζώνης επαφής των σφαιριδίων και των οδηγών. Στα στάσιμα ή αργά κινούμενα έδρανα οι μεταλλικές επιφάνειες σφαιριδίων-οδηγών επιτρέπουν στο ρεύμα του κεραυνού να περάσει διαμέσου του εδράνου χωρίς τον σχηματισμό τόξου και χωρίς να παρατηρηθούν σημαντικές φθορές. Σε έδρανα στα οποία δημιουργήθηκε μονωτικό στρώμα (το οποίο δημιουργείται από τα λιπαντικά που υπάρχουν στα έδρανα) παρατηρήθηκε ότι η φθορά είναι πολύ σοβαρότερη. Στην περίπτωση αυτή παρατηρήθηκε τήξη σε μια περιοχή της επιφάνειας του σφαιριδίου, το έδρανο ήταν περιτυλιγμένο από σπίθες και συνέπεια αυτών ήταν να συγκολληθεί το σφαιρίδιο στον οδηγό. Σε δοκιμές σε στρεφόμενα έδρανα υπήρξε πολύ σοβαρότερη φθορά για χαμηλότερα μεγέθη ρεύματος και ειδικής ενέργειας σε σχέση με τα στάσιμα. 38

43 Παρατηρήθηκαν αρκετά κοιλώματα της επιφάνειας στα σφαιρίδια και γύρω από τον οδηγό του εδράνου, η συνεχής περιστροφή του οποίου προκαλούσε ολοένα και περισσότερα τέτοια σημάδια. Αιτία της βλάβης είναι και πάλι η δημιουργία τόξου μεταξύ των σφαιριδίων και των οδηγών στα σημεία διακοπής μέσω του μονωτικού υδροδυναμικού λιπαντικού στρώματος που έχουν τα περιστρεφόμενα έδρανα. Έρευνα σχετικά με τη διέλευση του ρεύματος του κεραυνού από την πλήμνη στο πύργο της ανεμογεννήτριας έδειξε ότι το 80% του κεραυνικού ρεύματος θα περάσει από το κύριο έδρανο περιστροφής. Το υπόλοιπο 20% θα διέλθει μέσα από το δεύτερο κύριο έδρανο περιστροφής, το κιβώτιο ταχυτήτων και τη γεννήτρια. Άλλα έδρανα όπως το έδρανο βήματος και κλίσης έχουν μεγάλο μέγεθος και μπορούν να θεωρηθούν ως στάσιμα αν και το 100% του ρεύματος του κεραυνού διέρχεται από αυτά. Το κύριο έδρανο κύλισης, το οποίο έχει σχετικά μικρό μέγεθος έχει αποδειχτεί ως το πιο ευπαθές σε περίπτωση που πληγεί από κάποιο κεραυνό. 4.3 Φθορές στο κιβώτιο ταχυτήτων λόγω του ρεύματος του κεραυνού [14] Πέρα από την προαναφερθείσα έρευνα που δείχνει ότι ένα μέρος του κεραυνικού ρεύματος θα διέλθει μέσα από το κιβώτιο ταχυτήτων, δεν υπάρχει τεκμηριωμένη άποψη για τη φθορά εξαιτίας κεραυνού στο κιβώτιο ταχυτήτων. Υπήρξαν περιπτώσεις όπου το κιβώτιο ταχυτήτων και τα αξονικά έδρανα κύλισης υπέστησαν ζημιά λόγω κεραυνικού πλήγματος στα πτερύγια της ανεμογεννήτριας. Παρόλα αυτά δεν έχει αποδειχθεί ακόμη αν αυτό είναι επακόλουθο της ζημιάς που υφίσταται το κύριο έδρανο κύλισης. Σε κάποιες περιπτώσεις, έχουν παρατηρηθεί κοιλώματα σε αποσυναρμολογημένα κιβώτια ταχυτήτων. 4.4 Ανεμόμετρο [16] Τα ανεμόμετρα σε μια ανεμογεννήτρια χρησιμοποιούνται για να πραγματοποιούνται οι απαραίτητες μετρήσεις της ταχύτητας καθώς και της κατεύθυνσης του ανέμου. Τα ανεμόμετρα τοποθετούνται στην κορυφή της νασέλλας άρα είναι εκτεθειμένα. Η πιο συχνή αιτία καταστροφής του ανεμόμετρου είναι η πτώση κεραυνού. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα ηλεκτρονικά μέρη των οργάνων αυτών καταστρέφονται λόγω των επαγόμενων ρευμάτων. Σε κάποιες περιπτώσεις κρουστικά ρεύματα προκαλούν φθορές στο ανεμόμετρο όπως για παράδειγμα τήξη μεταλλικών μερών. 39

44 Πλήγμα κεραυνού απευθείας στο ανεμόμετρο συντελεί στην καταστροφή όλων των μερών του, όμως τέτοιου είδους πλήγματα δεν συμβαίνουν τόσο συχνά. 4.5 Βλάβες στο σύστημα της γεννήτριας Μετά από κεραυνικό πλήγμα στο πτερύγιο της ανεμογεννήτριας το ρεύμα θα πρέπει να περάσει από το πτερύγιο, τα ρουλεμάν της πλήμνης, τον άξονα χαμηλής ταχύτητας, το κιβώτιο ταχυτήτων και τον άξονα υψηλής ταχύτητας. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες διαδρομές που μπορεί να ακολουθήσει το ρεύμα για αυτό και δεν φθάνει όλο τελικά στην γεννήτρια. Πλήγμα κεραυνού στη νασσέλα ή στον πύργο θα μπορούσε επίσης να επάγει τάσεις και ρεύματα στα καλώδια ισχύος και στα τυλίγματα της γεννήτριας. Λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου χώρου η μόνωση των περιστρεφόμενων περιελίξεων της γεννήτριας δεν είναι αρκετή, έτσι οι γεννήτριες είναι περισσότερο ευάλωτες σε βλάβες από ρεύματα κεραυνού σε σχέση με τον υπόλοιπο ηλεκτρικό εξοπλισμό. Εκτός από τα περιελίξεις της γεννήτριας, ο εξοπλισμός ελέγχου και παρακολούθησης μπορεί επίσης να υποστεί σοβαρές βλάβες. Ακόμη υπό την επίδραση του ηλεκτρικού τόξου, τα ρουλεμάν μπορεί να υποστούν αλλοιώσεις. Συγκεκριμένα μπορεί να εμφανίσουν μικρά βαθουλώματα με αποτέλεσμα να πέσουν. Επίσης μετά από πλήγμα κεραυνού, οι δίοδοι μιας σύγχρονης γεννήτριας μπορεί να χρειαστούν αντικατάσταση. 4.6 Βλάβες στο ηλεκτρονικό σύστημα της ανεμογεννήτριας Αποτέλεσμα της πτώσης του κεραυνού είναι η ροή μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικού φορτίου. Αυτό έχει ως συνέπεια την ασθενή ηλεκτρική και μαγνητική σύζευξη, την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που αποδεικνύονται ιδιαίτερα επιβλαβή για τα ηλεκτρονικά υποσυστήματα της ανεμογεννήτριας. Το ρεύμα του κεραυνού περικλείει μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Η ενέργεια αυτή είναι που προκαλεί βλάβες στα ηλεκτρονικά μέρη της ανεμογεννήτριας εξασφαλίζοντας πρόσβαση σε αυτά μέσω αγώγιμης ζεύξης και της σύζευξης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. 40

45 4.6.1 Αγώγιμη ζεύξη Η ενέργεια του ρεύματος του κεραυνού οδηγείται στα ηλεκτρονικά μέρη της ανεμογεννήτριας κυρίως μέσω εξωτερικών τηλεφωνικών γραμμών και γραμμών ισχύος, καθώς επίσης και μέσω τοπικών αισθητήρων και καλωδίων ελέγχου. Μέσω της αναπτυσσόμενης υπέρτασης, η ενέργεια διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις για σημαντική απόσταση. Έτσι ροή ενέργειας δεν εμφανίζεται μόνο μεταξύ ζευγών καλωδίων, αλλά παντού γύρω από τα ηλεκτρονικά στοιχεία, όπως από την είσοδο στην έξοδό τους, κατά μήκος της θωράκισης των καλωδίων ή της στέγασης του ηλεκτρονικού υποσυστήματος. Όπως είναι γνωστό η συνολική τάση σε έναν κλειστό βρόχο πρέπει να είναι ίση με μηδέν. Επομένως όταν το ρεύμα του κεραυνού περάσει από ένα βρόχο, δημιουργεί μία τάση και έτσι θα πρέπει σε κάποιο άλλο μέρος του βρόχου να εμφανιστεί μια ίση και αντίθετη τάση. Τέτοια φαινόμενα έχουν σαν αποτέλεσμα μεγάλες μεταβολές του δυναμικού του βρόχου, με συνέπεια οι τάσεις των ηλεκτρονικών στοιχείων να φθάσουν σε μη αποδεκτά επίπεδα Σύζευξη ηλεκτρικού πεδίου Κατά τη διάρκεια της ροής του ρεύματος από το σημείο του κεραυνικού πλήγματος προς τη γη, εμφανίζονται μεγάλες τιμές ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό της κατασκευής. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα και τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά στοιχεία δεν μπορούν να αντέξουν αυτές τις τιμές. Όμως τα πράγματα μπορούν να γίνουν ακόμη χειρότερα. Δύο αγωγοί διαχωρισμένοι διηλεκτρικά, έχουν κάποια χωρητικότητα ανάμεσά τους. Αν σχηματιστούν από δύο διαφορετικά δυναμικά στις δύο πλευρές αυτού του πυκνωτή διαδρομές χαμηλής αντίστασης, τότε η τιμή του πεδίου στο διηλεκτρικό θα αυξηθεί ακόμη περισσότερο προκαλώντας τη διάσπασή του. Αν η μία πλευρά του πυκνωτή βρίσκεται σχεδόν στο δυναμικό του εδάφους και η άλλη σε δυναμικό πολλών kv/m, τότε η διηλεκτρική διάσπαση είναι σίγουρη Σύζευξη μαγνητικού πεδίου Το ρεύμα του κεραυνού προκαλεί τη δημιουργία μαγνητικής ροής, η οποία εμπλέκεται με όλα τα καλώδια που είναι κοντά στην διαδρομή ροής του. Καθώς λοιπόν η τιμή του ρεύματος αυξάνεται, η εμπλεκόμενη με τα καλώδια μαγνητική ροή αυξάνεται, επάγοντας σε αυτά μία τάση. Όταν το ρεύμα ρέει κάθετα προς τα καλώδια τότε η επαγόμενη τάση είναι μηδενική, ενώ όταν ρέει παράλληλα προς αυτά η 41

46 επαγόμενη τάση γίνεται μέγιστη. Ακόμη επαγόμενη τάση μπορεί να εμφανιστεί σε τμήματα κλειστού βρόχου ή και σε ολόκληρο τον βρόχο. Έτσι όταν πέφτει κεραυνός κοντά στον πύργο της ανεμογεννήτριας, χωρίς όμως να πλήττει την κατασκευή, δημιουργούνται ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία στα ηλεκτρονικά μέρη της ανεμογεννήτριας. Συνήθως οι αποστάσεις μεταξύ του σημείου πλήγματος και των ηλεκτρονικών στοιχείων είναι αρκετά μεγάλες. Αυτό σημαίνει ότι οι επαγόμενες τάσεις είναι σημαντικές μόνο όταν στα ηλεκτρονικά στοιχεία συνδέονται μεγάλα μεταλλικά καλώδια όπως αυτά που οδηγούν αισθητήρες ή όργανα ελέγχου. Οι τηλεφωνικές γραμμές και οι γραμμές ισχύος έχουν αξιοσημείωτα μήκη, ωστόσο συνήθως είναι κάθετα στη ροή του ρεύματος κι έτσι δεν επάγεται τάση. 4.7 Επαγόμενες τάσεις Τάση επαφής Τάση επαφής είναι το μέρος εκείνο της τάσεως σφάλματος που εμφανίζεται μεταξύ του αγώγιμου τμήματος της κατασκευής και ενός αγώγιμου σώματος με το οποίο ο άνθρωπος μπορεί να ευρίσκεται σε ταυτόχρονη επαφή τη στιγμή του σφάλματος [17]. Αν η μόνωση μεταξύ των ποδιών του και του αγώγιμου τμήματος δεν είναι αρκετή ώστε να αποτρέψει τον σχηματισμό τόξου, τότε ένα ρεύμα θα περάσει από το σημείο επαφής προς τα πόδια Βηματική τάση Βηματική τάση είναι η τάση μεταξύ των ποδιών για βήμα 1m στην κατεύθυνση της μεγαλύτερης μεταβολής του δυναμικού [17]. Όταν ο κεραυνός πλήξει την ανεμογεννήτρια, το ρεύμα ρέει έξω από τη βάση του πύργου, στην επιφάνεια ή κοντά στην επιφάνεια του εδάφους εξουδετερώνοντας έτσι τα φορτία που είχαν δημιουργηθεί σε αυτό από το φορτισμένο σύννεφο που υπήρχε από πάνω. Το χώμα είναι ένα μέσο υψηλής αντίστασης, έτσι μεγάλες ποσότητες δυναμικού θα υπάρχουν στην επιφάνειά του. Όταν λοιπόν ένα άτομο σταθεί στο έδαφος κοντά στον πύργο, που πλήττεται από κεραυνό, θα αναπτυχθεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα πόδια του, δηλαδή μια βηματική τάση. 42

47 4.7.3 Υπερτάσεις Η τιμή της αντίστασης γείωσης επιλέγεται μικρή, έτσι ώστε να μειωθούν οι βηματικές τάσεις και οι τάσεις επαφής. Λόγω αυτής της μικρής τιμής προκαλείται μια αύξηση της τάσης στη βάση του πύργου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στη βάση του πύργου και στους εισερχόμενους αγωγούς. Αυτή η διαφορά δυναμικού γίνεται υπέρταση μεταξύ της γραμμής ισχύος και του μετασχηματιστή, που είναι εγκατεστημένος στο επίπεδο του εδάφους μέσα στον πύργο ή μεταξύ μιας γραμμής τηλεπικοινωνιών και μιας συσκευής τηλεπικοινωνιών. 43

48 5 Σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ανεμογεννητριών Εκτίμηση επιπέδου αντικεραυνικής προστασίας [10] Λόγω της εκτεθειμένης θέσης και του συνολικού ύψους, οι ανεμογεννήτριες είναι εκτεθειμένες άμεσα στα κεραυνικά πλήγματα. Ο κίνδυνος κεραυνικού πλήγματος αυξάνεται γραμμικά με το ύψος της κατασκευής. Οι ανεμογεννήτριες της τάξης των MW με πτερύγια που μπορεί να φθάσουν τα 150m ύψος είναι αυτές που είναι πιο εκτεθειμένες στον κίνδυνο. Στην προσπάθεια να προστατέψουμε τις ανεμογεννήτριες απαιτείται μια περιεκτική αντικεραυνική προστασία ενώ συγχρόνως θα πρέπει να διασφαλίζεται η συνεχής παραγωγή ενέργειας χωρίς προβλήματα. Σύμφωνα με το IEC διακρίνουμε τέσσερα επίπεδα αντικεραυνικής προστασίας. Τα πτερύγια που είναι προστατευμένα με το υψηλότερο επίπεδο, το επίπεδο 1, προστατεύονται κατά 98% από κεραυνικά πλήγματα χωρίς ουσιαστικές ζημιές. Εσωτερική προστασία απαιτείται για τα ηλεκτρικά και τα συστήματα ελέγχου κυρίως. Τα ρουλεμάν φαίνεται να είναι τα πιο ευάλωτα μηχανικά μέρη, για τα οποία πρέπει να εφαρμόζονται συστήματα προστασίας. Για τα ηλεκτρικά και τα συστήματα ελέγχου σε κτήρια, μια καλά αποδεδειγμένη μέθοδος είναι διαθέσιμη στο σχεδιασμό συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας. Τα ηλεκτρικά συστήματα χωρίζονται σε τέσσερεις «αντικεραυνικές ζώνες προστασίας» [10]. H βελτίωση της αποτελεσματικότητας των συστημάτων προστασίας που έχουν σχεδιαστεί σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο είναι αρκετά γνωστή. Το πρότυπο IEC συνιστά την χρησιμοποίηση των ίδιων μεθόδων για την προστασία των ανεμογεννητριών. Ωστόσο πολύ λίγα είναι γνωστά για την αποδοτικότητα αυτών των μεθόδων. Έχει συμφωνηθεί ότι η αποδοτικότητα της προστασίας είναι μια μεταβλητή στο μοντέλο κόστους που μπορεί να οριστεί αργότερα στηριζόμενη στο γεγονός ότι η τελική διαμόρφωση της ανεμογεννήτριας είναι γνωστή, συμπεριλαμβανομένου των μηχανικών λεπτομερειών των συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας. Το πρώτο βήμα της ανάλυσης είναι να εκτιμήσουμε το επίπεδο αντικεραυνικής προστασίας, προτού λάβουμε υπόψη μας το IEC ( ) και τα ελληνικά πρότυπα. Με τη βοήθεια του συγκεκριμένου αλγόριθμου εκτιμάται η συχνότητα των κεραυνικών πληγμάτων στις ανεμογεννήτριες, η οποία είναι 44

49 συνάρτηση της κεραυνικής δραστηριότητας στο σημείο τοποθέτησης, της τοπολογίας της περιοχής και των συνιστωσών της ανεμογεννήτριας. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε έχει διορθώσεις και εκτιμήσεις, έτσι ώστε να μην υπάρχουν ανακρίβειες στο αποτέλεσμα. Η αντικεραυνική μέθοδος εφαρμόστηκε από τους Παστρομά και συν. [10] σε ένα αιολικό πάρκο εγκατεστημένο στο Παναχαϊκό, κοντά στην Πάτρα στην Ελλάδα, όπως περιγράφεται παρακάτω. Ο λόγος που επιλέχθηκε το Παναχαϊκό είναι ότι το υψόμετρο είναι περίπου στα 1600m, που σημαίνει ότι αυτή η περιοχή είναι ευάλωτη στους κεραυνούς. Οι ανεμογεννήτριες έχουν τις παρακάτω διαστάσεις : Ύψος πύργου: 50m Ακτίνα πτερυγίου: 24m Το μέγιστο ύψος της ανεμογεννήτριας είναι 50m+24m=74m, δηλαδή είναι μεγαλύτερο από 60m και επομένως χρειάζεται ειδική αντικεραυνική προστασία. Ο ετήσιος μέσος όρος των άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε κάθε μία ανεμογεννήτρια μπορεί να αξιολογηθεί από την ακόλουθη εξίσωση: Nd=Ng*Ae*Ce (1) όπου: Nd: μέση ετήσια συχνότητα των άμεσων κεραυνών στην κατασκευή, Ng: μέση πυκνότητα κεραυνών στο έδαφος μετρούμενη σε καταιγίδες/km 2 ανά έτος, Ae: η ισοδύναμη περιοχή συλλογής της κατασκευής εκφρασμένη σε km 2, Ce: συντελεστής που εξαρτάται από την θέση της κατασκευής, περιβαλλοντικός συντελεστής. Η παράμετρος Ng προκύπτει από τον ισοκεραυνικό χάρτη της Ελλάδας που φαίνεται στην εικόνα 5.1 και από τη σχέση (2) Ng = 0.04*T 1.25 (καταιγίδες/(km 2 *χρόνο)) (2) όπου: Τ: ο ετήσιος αριθμός των ημερών καταιγίδας ή το κεραυνικό επίπεδο σε ημέρες καταιγίδων/έτος. 45

50 Σύμφωνα με τον κεραυνικό χάρτη της Ελλάδας, όπου φαίνεται η περιοχή του Παναχαϊκού, ο ετήσιος αριθμός ημερών καταιγίδας είναι Τ=38 ημέρες καταιγίδας/χρόνο. Η μέση περιοχή συλλογής Ae για μια ανεμογεννήτρια, που είναι εγκατεστημένη σε επίπεδο έδαφος, υπολογίζεται να είναι η περιοχή ενός κύκλου με ακτίνα τρείς φορές το συνολικό ύψος της ανεμογεννήτριας. Θεωρώντας ότι οι ανεμογεννήτριες βρίσκονται σε απομονωμένες περιοχές ο συντελεστής περιβάλλοντος είναι Ce=2. Παρακάτω βρίσκονται οι υπολογισμοί του επιπέδου προστασίας των ανεμογεννητριών. Η μέση περιοχή συλλογής είναι: Ae=(3*h) 2 *π=(3.74) 2 *π=154830,25m 2 (3) H σχέση (3) γίνεται: Αe=154830,25/ Ae=0,1548km 2 (4) Λαμβάνοντας υπ όψιν ότι Τ=38, η σχέση (2) γίνεται: Ng=0.04* (καταιγίδες/(km 2 *χρόνο)) ή Ng=3,7739(καταιγίδες/(km 2 *χρόνο)) (5) Τελικά τα αποτελέσματα από την σχέση (1) είναι: N d1 =N g *A e *C e N d1 =3,7739*0,1548*2 (6) N d1 =1,1684 κεραυνικά πλήγματα /χρόνο. 46

51 Εικόνα 5.1: Ισοκεραυνικός χάρτης της Ελλάδας (ημέρες καταιγίδας/χρόνο).[10] Η παράμετρος N d μπορεί να εκτιμηθεί από την ακόλουθη σχέση: Ν d2 =2,4*10-5 *N g *H 2.05 (7) Με τις τιμές Ν g =3,7739 καταιγίδες/km 2 ανά χρόνο, Η=74m το αποτέλεσμα είναι: Ν d2 =2,4*10-5 *3,7739* N d2 =0,6151 κεραυνικά πλήγματα / χρόνο (8) Η σχέση (7) αφορά στις εκτιμήσεις για τις ανεμογεννήτριες. Με τη σχέση (1) εκτιμάται η παράμετρος N d για κτήρια κυρίως και με τις κατάλληλες διορθώσεις εγκρίνεται για ανεμογεννήτριες. Τα αποτελέσματα είναι διαφορετικά σύμφωνα με το γεγονός ότι η σχέση (1) έχει ως μεταβλητή τον περιβαλλοντικό συντελεστή C e. Η σχέση (7) έχει μία μεταβλητή, το ύψος της κατασκευής. Αυτό εξηγεί τη διαφορά των αποτελεσμάτων των δύο σχέσεων. Η παράμετρος Ε είναι 0,9999 και στις δύο περιπτώσεις που σημαίνει ότι η πρώτη εξέταση (σχέση 1) ήταν σωστή. Παρακάτω είναι οι εκτιμήσεις για τις δύο τιμές του N d : Α) N d1 =1,1684 κεραυνικά πλήγματα/έτος: Ε 1-N c /N d1 E 1-5*10-5 /1,

52 E 0,99995 E 1 B) N d2 =0,6151 κεραυνικά πλήγματα/ έτος: Ε 1-N c /N d E 1-5*10-5 / E 0,9999 Tο E εκφράζει την αποδοτικότητα του αντικεραυνικού συστήματος προστασίας. Ως Ν c θεωρείται μια παράμετρος (χωρίς μονάδες) που παίρνει τιμές σχετικές με το περιβάλλον που περιβάλλει την ανεμογεννήτρια. Σύμφωνα με τον ΕΛΟΤ, N c =5*10-5 από τη στιγμή που είναι μια μονάδα παραγωγής ενέργειας. Επειδή το Ε είναι μεγαλύτερο από 0,98, σύμφωνα με τους πίνακες 1-2 το επίπεδο αντικεραυνικής προστασίας είναι: I με πρόσθετα μέτρα με τις ακόλουθες παραμέτρους του κεραυνικού ρεύματος: μέγιστο ρεύμα 200kA, μέσος ρυθμός αύξησης του ρεύματος 200 ka/μs και ολική μεταφορά φορτίου 300C. Πέρα από το γεγονός ότι η αναγκαιότητα των αντικεραυνικών συστημάτων προστασίας των ανεμογεννητριών έχει αποδειχθεί από τους τύπους που αναφέρθηκαν, δεν πρέπει να παραληφθεί ένας επιπλέον και ιδιαίτερα σημαντικός λόγος. Αυτός είναι η προστασία του προσωπικού συντήρησης και των ανθρώπων που μπορεί να βρίσκονται κοντά σε μια ανεμογεννήτρια. Κάθε χρόνο, κοντά στους ανθρώπους τραυματίζονται από κεραυνούς. Οι πιο σημαντικές βλάβες στους ανθρώπους είναι στους πνεύμονες, το καρδιοαγγειακό σύστημα και στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Επειδή οι ανεμογεννήτριες είναι ευάλωτες στα κεραυνικά πλήγματα ο κίνδυνος για τους ανθρώπους, που βρίσκονται πάνω ή μέσα στην κατασκευή κατά τη διάρκεια της καταιγίδας, είναι μεγαλύτερος από αυτόν σε κανονικά κτήρια. Σύμφωνα με το IEC, δεν πρέπει να εκτελούνται εργασίες όταν επικρατούν συνθήκες κακού καιρού. Οι άνθρωποι μπορεί να εργάζονται μέσα στην νασέλλα κατά την διάρκεια καταιγίδας. Γι αυτή την περίπτωση είναι σημαντικό να προστατευθούν από τάσεις επαφής. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με ισοδύναμο δυναμικό του εξοπλισμού που θα συνδέεται με τον αγωγό γείωσης. Τα αντικεραυνικά συστήματα προστασίας που προτείνονται παρακάτω προστατεύουν τόσο τον εξοπλισμό όσο και το προσωπικό. 48

53 ΠΙΝΑΚΑΣ 1: Σχέση μεταξύ επιπέδου προστασίας και αποδοτικότητας. [10] ΕΠΙΠΕΔΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ (P) (Ε) I 0,98 II 0,95 III 0,90 IV 0,80 ΠΙΝΑΚΑΣ 2: Τιμές αποδοτικότητας και επίπεδα προστασίας. [10] Ε>0,98 ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ I ΜΕ ΠΡΟΣΘΕΤΑ ΜΕΤΡΑ 0,95<E 0,98 ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ I 0,90<E 0,95 ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ II 0,80<E 0,90 ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ III 0 <E 0,80 ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ IV E 0 ΚΑΜΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Προτεινόμενο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας για ανεμογεννήτριες Δεδομένου ότι δεν υπάρχει απολύτως ασφαλής αντικεραυνική προστασία, πολλοί κατασκευαστές ανεμογεννητριών σχεδιάζουν συστήματα τα οποία είναι όσο το δυνατόν αξιόπιστα και ελαχιστοποιούν τις βλάβες από ενδεχόμενους κεραυνούς. Το αντικεραυνικό σύστημα που προτείνεται εδώ σχεδιάστηκε σύμφωνα με το IEC και IEC [10]. Τα αντικεραυνικά συστήματα μπορούν να χωριστούν σε εξωτερικά και εσωτερικά. Η εξωτερική προστασία αποτελείται από τα συστήματα των συλλεκτήριων αγωγών καθώς και τους αγωγούς καθόδου. Η εσωτερική προστασία αποτελείται από το ισοδύναμο δυναμικό και την προστασία υπέρτασης. Το ισοδύναμο δυναμικό και η προστασία υπέρτασης είναι τα πιο σημαντικά μέτρα στην προστασία των ηλεκτρονικών και των συστημάτων ελέγχου της ανεμογεννήτριας. Εφόσον η ανεμογεννήτρια αποτελείται από πολλά μέρη το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας θα πρέπει να έχει ζώνες προστασίας, όπως φαίνεται στην εικόνα

54 Οι ζώνες προστασίας είναι συνήθως τρείς. Η LPZ-0 έχει να κάνει με την προστασία του πλήγματος στα πτερύγια και στο ανεμόμετρο, η LPZ-1 στο εσωτερικό τμήμα της ανεμογεννήτριας και η LPZ-2 με την προστασία του ηλεκτρονικού εξοπλισμού με ηλεκτρομαγνητική ασπίδα. Εικόνα 5.2: Ζώνες αντικεραυνικής προστασίας της ανεμογεννήτριας. [10] Ζώνες αντικεραυνικής προστασίας [20] Ένα σημαντικό βήμα για τον σχεδιασμό της αντικεραυνικής προστασίας, είναι ο χωρισμός της ανεμογεννήτριας σε ζώνες. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται συστηματική και αποτελεσματική προστασία όλων των στοιχείων της ανεμογεννήτριας. Οι ζώνες αντικεραυνικής προστασίας (LPZ) ορίζονται ανάλογα με το αν είναι πιθανή μια άμεση πτώση κεραυνού, εξαρτάται από το μέγεθος του κεραυνικού ρεύματος και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που αναμένεται στη ζώνη αυτή, ενώ πρέπει να ληφθεί υπ όψιν και η αρχιτεκτονική της κατασκευής της ανεμογεννήτριας. Στον πίνακα 3 παρουσιάζεται ο τρόπος καθορισμού των ζωνών προστασίας. 50

55 ΠΙΝΑΚΑΣ 3: Ζώνες αντικεραυνικής προστασίας [20] LPZ 0 A Στοιχεία εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, πλήρες ρεύμα κεραυνού, ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο LPZ 0 B Στοιχεία μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, πλήρες ρεύμα κεραυνού, ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο LPZ 1 Στοιχεία μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα, μειωμένο ρεύμα κεραυνού, εξασθενημένο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο LPZ 2 Ακόμη πιο μειωμένο ρεύμα κεραυνού, ακόμη πιο εξασθενημένο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο Εικόνα 5.3: Αντικεραυνικά στοιχεία ενός πτερυγίου στο άκρο του (περιοχή αιολικού πάρκου).[10] Υποδοχείς πτερυγίων και αγωγός καθόδου Κάθε πτερύγιο της ανεμογεννήτριας είναι εξοπλισμένο με ένα πλήρως ενσωματωμένο αντικεραυνικό σύστημα προστασίας. Αυτό το σύστημα αποτελείται από έναν ατσάλινο υποδοχέα σε κάθε πλευρά του πτερυγίου σε ακτίνα 20m και 25m 51

56 από τον περιστρεφόμενο άξονα. Στην εικόνα 5.3 φαίνεται ο υποδοχέας ο οποίος βρίσκεται στο άκρο του πτερυγίου και στα άλλα στοιχεία. Το πτερύγιο αποτελείται από ένα σύρμα των 50mm 2 από σίδηρο τοποθετημένο στον ιστό του πτερυγίου που συνδέει τους υποδοχείς στη ρίζα του. Ο σίδηρος χρησιμοποιείται γιατί είναι πιο ανθεκτικός από άλλα υλικά στις διάφορες κλιματικές συνθήκες όπως βροχή, υγρασία και διάβρωση. Στη βάση του πτερυγίου, το σύρμα τερματίζεται σε μια ατσάλινη πλάκα που βρίσκεται στην επιφάνεια, όπως φαίνεται στην εικόνα 5.3 και 5.4 a-d. Η προστασία του πτερυγίου είναι συνδυασμός των τύπων που φαίνονται στην εικόνα 5.4. Έτσι το πτερύγιο έχει μια αξιόπιστη προστασία καθώς το πιθανό κεραυνικό πλήγμα στο άκρο του οδηγείται, διαμέσου ενός συρμάτινου πλέγματος στη βάση του πτερυγίου, χωρίς να προκαλεί βλάβες στον κορμό του. Στην προσπάθεια να επιτραπεί στο συνδυασμό των κεραυνικών ρευμάτων να οδηγηθούν στη γη με ένα ελεγχόμενο τρόπο, οι υποδοχείς στα στρεφόμενα πτερύγια είναι συνδεμένοι με τον άξονα με έναν μεταλλικό αγωγό διασύνδεσης. Εικόνα 5.4: Τύποι αντικεραυνικής προστασίας του πτερυγίου.[10] Πειράματα επιπτώσεων κεραυνικών πληγμάτων σε πτερύγια [21] Παρακάτω παραθέτουμε τα αποτελέσματα πειραμάτων που έγιναν στην Ιαπωνία με σκοπό την ανάπτυξη ενός υποδοχέα, ο οποίος να έχει επαρκή χωρητικότητα για «σκληρές» κεραυνικές συνθήκες. Στα πειράματα για τη μελέτη των 52

57 επιπτώσεων των κεραυνικών πληγμάτων σε πτερύγια, χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικοί τύποι πτερυγίων, που διέθεταν τρείς διαφορετικούς τύπους υποδοχέων. Ο πρώτος τύπος διέθετε έναν στερεό μεταλλικό υποδοχέα στην άκρη του πτερυγίου, ο δεύτερος τύπος έναν κυκλικό υποδοχέα εγκατεστημένο στην πλευρά του πτερυγίου και ο τρίτος τύπος τρείς υποδοχείς. Ο ένας είχε σχήμα ράβδου και βρισκόταν στο άκρο του πτερυγίου και οι άλλοι ήταν μικροί μεταλλικοί υποδοχείς που βρίσκονταν και στις δύο επιφάνειες του πτερυγίου. Αυτοί οι τρείς τύποι υποδοχέων καλύπτουν τους περισσότερους τύπους που χρησιμοποιούνται γενικώς. Τα κεραυνικά πειράματα διεξήχθησαν εξομοιώνοντας τον κεραυνό με μια γεννήτρια κρουστικής τάσης 1200kV. Στα πειράματα, η απόσταση από το ηλεκτρόδιο στο άκρο του πτερυγίου ήταν 1m. Η γωνία μεταξύ του ηλεκτροδίου και του άκρου του πτερυγίου ορίστηκε στις 0 ο, 60 ο, 90 ο και 200mm προς τα κάτω και 500mm προς τα κάτω από τη θέση των 90 ο, έτσι ώστε η κορυφή να βρίσκεται σε 0 ο. Τα πειράματα εκτελέστηκαν με εκκενώσεις θετικής και αρνητικής πολικότητας. Στα κεραυνικά πειράματα, όλοι οι υποδοχείς ήταν γειωμένοι με αγωγούς. α β γ Εικόνα 5.5: Πτερύγια πειραμάτων: (α) Τύπος 1:Τύπος άκρου, (β)τύπος 2:Τύπος στρογγυλού δίσκου, (γ)τύπος 3:Τύπος ράβδου. [21] Αποτελέσματα πειραματισμών Όταν η γωνία του κεραυνού ήταν 60 ο, ο κεραυνός χτυπούσε την κορυφή του υποδοχέα. Παρόμοια πλήγματα παρατηρήθηκαν στην περίπτωση διαφορετικής πολικότητας ηλεκτρικής εκκένωσης και κατεύθυνσης σάρωσης. Θεωρώντας πραγματικό κεραυνό, η γωνία του κεραυνού στην κανονική λειτουργία είναι μικρότερη των 60 ο, όταν το σημείο εκκένωσης είναι μακριά προς τα επάνω, καθώς όταν η γωνία του πτερυγίου με το σημείο εκκένωσης υπερβεί τις 60 ο, το άλλο 53

58 πτερύγιο έρχεται από πάνω και η γωνία γίνεται μικρότερη των 60 ο. Το αποτέλεσμα έδειξε ότι οι ανεμογεννήτριες, στις οποίες έχει τοποθετηθεί ο πρώτος τύπος του υποδοχέα, μπορούν να δεχθούν την εκκένωση του κεραυνού με ασφάλεια στην κανονική λειτουργία. Ωστόσο όταν η γωνία του κεραυνού είναι μεγαλύτερη των 90 ο, ειδικά στην άκρη της κατεύθυνσης σάρωσης, το μονοπάτι του κεραυνού τείνει να οδηγηθεί στο σύνορο του υποδοχέα. Ο κεραυνός στο σύνορο του υποδοχέα μπορεί να προκαλέσει σοβαρή βλάβη εξαιτίας της απότομης αύξησης της θερμοκρασίας. 0 ο 60 ο 90 ο 90 ο -500mm 90 ο Εικόνα 5.6: Κεραυνικό μονοπάτι (αρνητική εκκένωση) του Τύπου 1 και αποτέλεσμα προσομοίωσης. [21] Ο δεύτερος τύπος του υποδοχέα δεν λειτουργεί καλά, ακόμη και στην περίπτωση που η γωνία του κεραυνού είναι μικρότερη των 60 ο. Ο λόγος είναι ότι αυτός ο τύπος δεν έχει την μεταλλική επιφάνεια στο άκρο. Στην περίπτωση των 90 ο, ο κεραυνός οδηγείται στον υποδοχέα με μια υφέρπουσα εκκένωση αφού έχει γίνει η επαφή στην εξωτερική επιφάνεια του πτερυγίου. Σε άλλες όμως γωνίες, η εκκένωση 54

59 του κεραυνού εισβάλει στον αγωγό γείωσης με καταστροφή της επιφάνειας του πτερυγίου. 0 ο 60 ο 90 ο -500mm 90 ο 90 ο Εικόνα 5.7: Κεραυνικό μονοπάτι (αρνητική εκκένωση) του Τύπου 2 και αποτέλεσμα προσομοίωσης. [21] Για τον τρίτο τύπο υποδοχέα, στην περίπτωση των 90 ο ο κεραυνός οδηγείται στην κορυφή του υποδοχέα. Φαίνεται ότι αυτός ο υποδοχέας έχει επίδοση υψηλής ασφάλειας. Ωστόσο στην περίπτωση των 90 ο, 500mm προς τα κάτω, η εκκένωση του κεραυνού εισβάλει στο εσωτερικό του πτερυγίου. Συνοψίζοντας, ο δεύτερος τύπος υποδοχέα έχει κατώτερα χαρακτηριστικά για όλες τις συνθήκες του κεραυνού εκτός από την κατεύθυνση του πτερυγίου. Οι τύποι ένα και τρία των υποδοχέων χαρακτηρίζονται από υψηλή ικανότητα αντικεραυνικής προστασίας. Στην περίπτωση των 90 ο και στη κατεύθυνση στο άκρο ο πρώτος τύπος του υποδοχέα, αναγκάζει τον κεραυνό να οδηγηθεί στο σύνορο του μεταλλικού-frp ενώ ο τρίτος τύπος τον οδηγεί εσωτερικά στον αγωγό γείωσης. Αυτό γίνεται γιατί ο 55

60 πρώτος τύπος έχει αιχμηρό άκρο στο σύνορο και έτσι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι υψηλότερη από ότι στον τρίτο τύπο υποδοχέα. 0 ο 60 ο 90 ο 90 ο -500mm 90 ο Εικόνα 5.8: Κεραυνικό μονοπάτι (αρνητική εκκένωση) του Τύπου 3 και αποτέλεσμα προσομοίωσης.[2] Πίνακας 4: Σύνοψη αποτελεσμάτων. [21] (α) Αρνητική εκκένωση Κατεύθυνση Κατεύθυνση Θέση Άκρου Πτερύγιου Ηλεκτρόδιου Τύπος 1 Τύπος 2 Τύπος 3 Τύπος 1 Τύπος 2 Τύπος

61 (β) Θετική εκκένωση Θέση ηλεκτρόδιου Κατεύθυνση Άκρου Κατεύθυνση Πτερύγιου Τύπος Τύπος Τύπος Τύπος 1 Τύπος 2 Τύπος Σύμβολο Σημείο εκκένωσης Υποδοχέας Σύνορο μεταξύ FRP και υποδοχέα Σύνορο μεταξύ FRP και υποδοχέα με υφέρπουσα εκκένωση FRP Βελτίωση της επίδοσης των υποδοχέων Από τα προηγούμενα φαίνεται ότι κάθε τύπος υποδοχέων έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά απέναντι στον κεραυνό. Ωστόσο ο πρώτος τύπος του υποδοχέα στο άκρο και ο τρίτος τύπος της ράβδου φαίνεται να έχουν καλύτερη επίδοση σε σχέση με τον υποδοχέα με τον στρογγυλό δίσκο (τύπος 2). Γι αυτό έγιναν ορισμένες απόπειρες για να βελτιωθεί η επίδοση του πρώτου τύπου των υποδοχέων. Στον πρώτο τύπο το μεταλλικό γωνιακό κομμάτι στο κάτω μέρος του πτερυγίου οδηγεί την συγκέντρωση του ηλεκτρικού πεδίου και ο κεραυνός από την πλευρική κατεύθυνση (>90 ο ) τείνει να χτυπήσει την συνοριακή επιφάνεια. Στην προσπάθεια να εμποδιστεί αυτό, προτείνονται δύο ποικιλίες βελτιωμένης σχεδίασης. Η μία είναι ένας υποδοχέας που έχει κεραμικό υλικό μεταξύ του μεταλλικού μέρους και του FRP κομματιού 57

62 (κεραμικός τύπος υποδοχέα: τύπος 1(α)), και η άλλη είναι ένας υποδοχέας που έχει μια καρφίτσα για την συγκέντρωση του ηλεκτρικού πεδίου στο καταληκτικό άκρο κοντά στο γωνιακό κομμάτι (υποδοχέας τύπου καρφίτσας: τύπος 1(β)). Ο τύπος 1(α) υποδοχέα προορίζεται για την αλλαγή της συγκέντρωσης του ηλεκτρικού πεδίου από την μεταλλική-frp συνοριακή επιφάνεια στη μεταλλική-κεραμική συνοριακή επιφάνεια χωρίς να αλλάζει το εξωτερικό σχήμα του υποδοχέα. Ο τύπος 1(β) υποδοχέα προορίζεται για να αναγκάσει το υπόλοιπο ηλεκτρικό πεδίο να συγκεντρωθεί σε διαφορετικό σημείο από το γωνιακό κομμάτι του υποδοχέα. Εικόνα 5.9: Βελτιωμένοι υποδοχείς: Τύπος 1(α): Κεραμικός τύπος και Τύπος 1(β): Τύπος καρφίτσας. [21] Επίδοση των βελτιωμένων υποδοχέων Α) Κεραμικός τύπος υποδοχέα: Τύπος 1(α) Ακόμη και στη διεύθυνση των 90 ο -500mm, o τύπος 1(α) λαμβάνει τον κεραυνό όχι στο σύνορο του FRP αλλά στη συνοριακή μεταλλική-κεραμική επιφάνεια. Η επίδοση του υποδοχέα είναι δραστικά βελτιωμένη κατά του κεραυνού τόσο στη θετική όσο και στην αρνητική εκκένωση στη διεύθυνση του άκρου. Η βελτίωση της επίδοσης απέναντι στον κεραυνό στη διεύθυνση του πτερυγίου δε θα μπορούσε να ήταν αναμενόμενη. Στην προσπάθεια να αντισταθμιστεί η επίδοση στην πλευρά του πτερυγίου, η εγκατάσταση πολύ-υποδοχέων μπορεί να είναι αποτελεσματική στη επιφάνεια του πτερυγίου. 58

63 0 ο 60 ο 90 ο 90 ο -500mm 90 ο -500mm Εικόνα 5.10: Κεραυνικό μονοπάτι (αρνητική εκκένωση) του Τύπου 1(α) και αποτέλεσμα προσομοίωσης. [21] Πίνακας 5: Σύνοψη αποτελεσμάτων για τον βελτιωμένο υποδοχέα. [21] (α)αρνητική εκκένωση Κατεύθυνση Κατεύθυνση Θέση Άκρου Πτερυγίου ηλεκτρόδιου Τύπος 1(α) Τύπος1(β) Τύπος 1 Τύπος 1(α) Τύπος1(β) Τύπος

64 (β) Θετική εκκένωση Θέση ηλεκτρόδιου Κατεύθυνση Κατεύθυνση Άκρου πτερύγιου Τύπος 1(α) Τύπος1(β) Τύπος 1 Τύπος 1(α) Τύπος1(β) Τύπος Σύμβολο Σημείο εκκένωσης Υποδοχέας Σύνορο μεταξύ κεραμικού και υποδοχέα, Καρφίτσα. Σύνορο μεταξύ κεραμικού και υποδοχέα με υφέρπουσα εκκένωση Σύνορο μεταξύ κεραμικού και FRP Σύνορο μεταξύ κεραμικού και FRP με υφέρπουσα εκκένωση FRP Β) Υποδοχέας τύπου καρφίτσας: Τύπος 1(β) Παρόμοια με τον τύπο 1(α) του υποδοχέα, ο κεραυνός μπορεί να ληφθεί στο άκρο της καρφίτσας αντί για το μεταλλικό-frp σύνορο. Η επίδοση είναι κατά πολύ βελτιωμένη στη διεύθυνση του άκρου συγκρινόμενη με αυτή του πρώτου τύπου υποδοχέα, αλλά είναι κατώτερη του τύπου 1(α). Επιπροσθέτως, όπως στον τύπο (β) υποδοχέα, η επίδοση απέναντι στον κεραυνό από τη διεύθυνση του πτερυγίου είναι ελαφρώς βελτιωμένη. Αυτό σημαίνει ότι μια προεξοχή στον υποδοχέα είναι πολύ αποτελεσματική για να συγκεντρώσει το ηλεκτρικό πεδίο. Το να εγκατασταθεί ένα κομμάτι προεξοχής σε έναν υποδοχέα όχι μόνο βελτιώνει την αντοχή του πτερυγίου 60

65 απέναντι στον κεραυνό αλλά επιπλέον είναι μια απλή μέθοδος που μπορεί να εφαρμοστεί σε συστήματα ανεμογεννητριών που είναι ήδη κατασκευασμένα. 0 ο 60 ο 90 ο -500mm 90 ο 90 ο -500mm Εικόνα 5.11: Κεραυνικό μονοπάτι (αρνητική εκκένωση) του Τύπου 1(β) και αποτέλεσμα προσομοίωσης. [21] Συμπεράσματα Στην προσπάθεια να συγκρίνουμε τις επιδόσεις των τριών τύπων υποδοχέων, διενεργήθηκαν πειράματα με κεραυνούς και ανάλυση της ισχύος του ηλεκτρικού πεδίου. Φαίνεται ότι κάθε υποδοχέας έχει διαφορετική επίδοση. Ο τύπος του υποδοχέα με το μεταλλικό άκρο και αυτός με τη ράβδο έχουν καλύτερη επίδοση συγκρινόμενοι με τον τύπο του στρογγυλού δίσκου. Έχουν βέβαια κάποια μειονεκτήματα. Επιπροσθέτως, τα πειράματα για βελτίωση του υποδοχέα τύπου άκρου έδειξαν ότι η επίδοση του υποδοχέα μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας κεραμικό υλικό ή καρφίτσα. Εφόσον δεν έχει κατασκευαστεί ακόμη ο υποδοχέας που 61

66 να έχει καλή επίδοση απέναντι σε όλες τις συνθήκες του κεραυνού γίνονται συνεχώς απόπειρες για την ανάπτυξη ενός υποδοχέα υψηλής επίδοσης. [21] Εύκαμπτες συνδέσεις γύρω από τα πτερύγια, δαχτυλίδια ολίσθησης και ρουλεμάν εκτροπής Δύο εύκαμπτες συνδέσεις, στο εσωτερικό της νασέλλας, προκαλούν μία παράκαμψη του ρεύματος του κεραυνού από την πλάκα, γύρω από το ρουλεμάν της πλάκας και των κύριων ρουλεμάν, μέσω του πλαισίου της νασέλλας, στη βάση του πύργου. Τα καλώδια που χρησιμοποιούνται είναι 50mm 2 από σίδηρο με μόνωση από XLPE με αντοχή κρουστικής τάσης 100kV, 1.2/50 μs. Το XLPE έχει επιλεγεί γιατί είναι πιο ανθεκτικό στις υψηλές θερμοκρασίες (μέγιστη 250 ο C) που προκαλούνται από τα υψηλά ρεύματα του κεραυνού. Εξάλλου με μονωμένα καλώδια δεν υπάρχει κίνδυνος για τάσεις επαφής για το προσωπικό συντήρησης. Στην προσπάθεια να γίνουν όλα όσα αναφέρονται ξεκάθαρα, στην εικόνα 5.12 φαίνονται τα κύρια μέρη μιας ανεμογεννήτριας. Σε αυτή την εικόνα φαίνονται τα δαχτυλίδια ολίσθησης και τα ρουλεμάν εκτροπής. Τα ρουλεμάν είναι μηχανικά μέρη που μειώνουν την τριβή παρέχοντας μεταλλικά σφαιρίδια ή κυλίνδρους. Ένα δαχτυλίδι ολίσθησης (εικόνα 5.13) είναι μια ηλεκτρομαγνητική συσκευή που επιτρέπει τη μετάδοση της ισχύος από μια ακίνητη σε μια περιστρεφόμενη κατασκευή και αντίστροφα. Η μία πλευρά κρατιέται ακίνητη σε αυτή την περίπτωση συνδέεται με τα σύρματα που οδηγούνται στην γέφυρα ανόρθωσης, ενώ η άλλη πλευρά μπορεί να κινείται ελεύθερα, όπου τα καλώδια από τη γεννήτρια είναι συνδεμένα. Όσο η γεννήτρια στρέφεται, καμία περιστροφή δε μεταδίδεται μετά το δαχτυλίδι ολίσθησης. Το δαχτυλίδι ολίσθησης είναι τοποθετημένο πάνω σε έναν μονωμένο άξονα με τις ηλεκτρικές συνδέσεις από την ανεμογεννήτρια να είναι κατασκευασμένες σε ένα αγώγιμο δαχτυλίδι που είναι ελεύθερο να περιστρέφεται. Οι ανεμογεννήτριες εκτρέπονται για να έρθουν αντιμέτωπες με τον άνεμο, αλλά η καλωδίωση μετάδοσης είναι συνδεμένη στο έδαφος. Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν δαχτυλίδια ολίσθησης από κράμα χαλκού για να συνδέσουν την καλωδίωση της γεννήτριας με την σταθερή καλωδίωση. Τα δαχτυλίδια ολίσθησης είναι συνήθως τοποθετημένα στο κομμάτι της γεννήτριας που είναι σταθερά συνδεμένο στην κορυφή του πύργου. Μια σειρά από βούρτσες γραφίτη είναι 62

67 τοποθετημένες στο εκτρεπόμενο κομμάτι της γεννήτριας. Οι βούρτσες κινούνται πάνω στα δαχτυλίδια καθώς η γεννήτρια εκτρέπεται, και εξυπηρετούν συνδέοντας τον εναλλάκτη με τη σταθερή καλωδίωση. Μια ανεμογεννήτρια είναι αναγκαίο να μπορεί να ακολουθεί τον άνεμο, αλλάζοντας προσανατολισμό κάθε φορά που ο άνεμος αλλάζει κατεύθυνση. [10] Εικόνα 5.12: Κύρια μέρη μιας ανεμογεννήτριας.[10] Εικόνα 5.13: Δαχτυλίδι ολίσθησης μιας ανεμογεννήτριας [10] 63

68 5.2.2 Εσωτερικοί αγωγοί ισοδύναμου δυναμικού Το μεταλλικό πλαίσιο μέσα στην νασέλλα είναι συνδεμένο με τη βάση της ανεμογεννήτριας με 50mm 2 με XLPE μονωμένα καλώδια. Τα δοκάρια καλύπτουν το συνολικό μήκος της νασέλλας και υποστηρίζονται από τέσσερις κολώνες. Αυτά τα δοκάρια συνδέουν τις κολόνες και υποστηρίζουν την κάλυψη από φάιμπεργκλας της νασέλλας Νασέλλα, ρουλεμάν εκτροπής και πύργος Αυτά τα τρία κομμάτια συνδέονται και καταλήγουν στη βάση του πύργου με ένα καλώδιο Cu 50mm 2, το οποίο συνδέεται στη βάση της μηχανής και στον πύργο. Αυτό μπορεί να περιορίσει μια ενδεχόμενη πτώση τάσης κατά μήκος του ρουλεμάν εκτροπής. Επιπλέον, τα δαχτυλίδια εκτροπής παρέχονται με τέσσερεις συνδέσεις από ορείχαλκο με διάμετρο 30mm η καθεμία. Η χρήση του ορείχαλκου επιτρέπει στο ρεύμα του κεραυνού να περνά από τη βάση της μηχανής στα δαχτυλίδια εκτροπής και στον πύργο χωρίς να επηρεάζει τα εργαλεία της εκτροπής. Οι συνδέσεις των δαχτυλιδιών είναι κατασκευασμένες με άμεση μεταλλική επαφή μεταξύ των πελμάτων και τελικά συνδέονται στον πύργο Αντικεραυνική προστασία εδράνων κύλισης και κιβωτίου ταχυτήτων Η διαδρομή του ρεύματος του κεραυνού από τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας προς τον πύργο πραγματοποιείται μέσω του εδράνου του βήματος πτερυγίου, του κυρίως εδράνου και του εδράνου του συστήματος προσανατολισμού. Αυτές είναι επομένως οι εν δυνάμει ευάλωτες περιοχές σε φθορά λόγω του κεραυνικού πλήγματος. Ολοκληρωμένη λύση για το πρόβλημα της προστασίας των εδράνων δεν υπάρχει καθώς υπάρχουν αρκετά προβλήματα στην πράξη. Τα μεγάλα στάσιμα έδρανα δεν υφίστανται σημαντική φθορά από τη διέλευση του ρεύματος του κεραυνού. Γι αυτό τα έδρανα βήματος και κλίσης ίσως να μη χρειάζονται αντικεραυνική προστασία. Παρ όλα αυτά προτείνεται η δημιουργία εναλλακτικών διαδρομών του ρεύματος από κάποιον εύκαμπτο αγωγό. Τα στρεφόμενα έδρανα όπως το αξονικό έδρανο και τα έδρανα του κιβωτίου ταχυτήτων και της γεννήτριας υφίστανται φθορές και θα πρέπει να προστατευθούν. 64

69 Ένας τρόπος προστασίας είναι να αποτρέπεται το ρεύμα του κεραυνού από το να κυκλοφορεί δια μέσου των εδράνων κύλισης δημιουργώντας εναλλακτικές διαδρομές καθώς και διακοπές στην πορεία του ρεύματος με μονωτικά στρώματα στα έδρανα. Αυτό επιβάλλει τη χρήση δακτυλίων ολίσθησης ή παρόμοιων συσκευών. Με προσεκτική σχεδίαση και τοποθέτηση του δακτυλίου ολίσθησης καθώς και με μικρής τιμής αυτεπαγωγή των συνδέσεων με τη νασέλλα και την επίπεδη πλάκα εξασφαλίζεται ικανοποιητική προστασία Αγωγοί καθόδου [22] Οι αγωγοί καθόδου χρησιμοποιούνται για να οδηγήσουν με ασφάλεια το ρεύμα του κεραυνού στο σύστημα γείωσης. Για τις ανεμογεννήτριες ο ίδιος ο χαλύβδινος πύργος της κατασκευής αποτελεί τη διαδρομή με τη χαμηλότερη αυτεπαγωγή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αγωγός καθόδου. Όταν ο πύργος της ανεμογεννήτριας δεν είναι αγώγιμος δε χρησιμοποιείται σαν αγωγός καθόδου. Στην περίπτωση αυτή επιλέγεται ο αριθμός και ο τρόπος εγκατάστασης των αγωγών καθόδου. Οι αγωγοί καθόδου πρέπει να κατανέμονται, κατά το δυνατόν, περιμετρικά της κατασκευής σε συμμετρική διάταξη. Συνήθως επιλέγονται 3 αγωγοί καθόδου οι οποίοι πρέπει να συνδέονται μεταξύ τους με οριζόντιους περιμετρικούς δακτυλίους κοντά στην στάθμη του εδάφους. ΠΙΝΑΚΑΣ 6: Μέση απόσταση μεταξύ των αγωγών καθόδου ανάλογα με τη στάθμη προστασίας. [22] Στάθμη προστασίας Μέση απόσταση(m) I 10 II 10 III 15 IV 20 Παρακάτω φαίνονται οι συνδέσεις των αγωγών καθόδου με τη νασέλλα, τον πύργο και τα θεμέλια του πύργου όπου βρίσκεται και το σύστημα γείωσης. Τα καλώδια όλων των συνδέσεων θα πρέπει να είναι επαρκούς διατομής (π.χ. 50mm 2 για Cu) και η μόνωσή τους θα πρέπει να είναι κατά προτίμηση από δικτυωμένο 65

70 πολυαιθυλένιο (XLPE), ώστε να είναι πιο ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες που προκαλούνται από τη διέλευση του ρεύματος του κεραυνού. Ο μεταλλικός σκελετός της νασέλλας συνδέεται στα θεμέλια του πύργου με καλώδια (π.χ. 50mm 2 ). Ο αγωγός καθόδου στη βάση του πύργου συνδέεται με τον πύργο και με το σύστημα γείωσης που βρίσκεται στα θεμέλια του πύργου. Εικόνα 5.14: Σύνδεση του αγωγού καθόδου με τον πύργο και μέσω των θεμελίων με το σύστημα γείωσης. [10] Εάν ο πύργος της ανεμογεννήτριας είναι κατασκευασμένος από χάλυβα, τα ρεύματα του κεραυνού διαμοιράζονται από τη νασέλλα στο ηλεκτρόδιο γείωσης μέσω του ίδιου του αγώγιμου πύργου, αν δεν χρησιμοποιούμε ξεχωριστούς αγωγούς καθόδου. Εάν ο πύργος είναι κατασκευασμένος από τσιμέντο για να διασφαλιστεί η αγωγή του ρεύματος προς τη γη χρησιμοποιούνται χαλύβδινες λωρίδες που συνδέουν τον πύργο με τα θεμέλια και κατά συνέπεια με το σύστημα γείωσης. 66

71 Εικόνα 5.15: Σύνδεση μεταξύ του τσιμεντένιου πύργου και του θεμελιακού ηλεκτροδίου γείωσης. [23] Όδευση καλωδίων εξωτερικά του πύργου Το ρεύμα του κεραυνού ρέει κάτω από τον πύργο προς το έδαφος μέσω του συστήματος γείωσης και έπειτα διαχέεται στην επιφάνεια του εδάφους. Τα καλώδια που είναι εγκατεστημένα στο έδαφος είναι δυνατό να αποτελέσουν κατάλληλη διαδρομή για τα ρεύματα αυτά. Αν το έδαφος είναι πετρώδες ή έχει μεγάλη ωμική αντίσταση τότε τα μεγάλου μήκους καλώδια ισχύος ή τα καλώδια των ηλεκτρονικών συστημάτων παρέχουν μια σημαντική διαδρομή για το ρεύμα. Οι τάσεις για μήκη πάνω από 1 km είναι δυνατόν να προκαλέσουν διάσπαση της μόνωσης των καλωδίων. Η χρήση εκτροπέων υπέρτασης είναι πολύ σημαντική. Οι επαγόμενες τάσεις στα καλώδια σημάτων και του ηλεκτρονικού εξοπλισμού γενικότερα μπορούν να περιοριστούν με το να οδεύουν τα καλώδια στο εσωτερικό ενός μεταλλικού σωλήνα, ο οποίος είναι συνδεμένος επίσης στον πύργο και στην κατασκευή που περικλείει τον μετασχηματιστή. Συνηθίζεται η κατασκευή που περικλείει τον μετασχηματιστή να γειώνεται στην γείωση του πύργου. 67

72 Εικόνα 5.16: Όδευση καλωδίων σημάτων μεταξύ του πύργου και της κατασκευής που περικλείει τον μετασχηματιστή. [23] Σύστημα γείωσης [10] Σύμφωνα με το ελληνικό πρότυπο του ΕΛΟΤ η αντίσταση γείωσης μπορεί να είναι μικρότερη ή ίση με 10Ω. Το σύστημα γείωσης εξαρτάται από την τοπογραφία του εδάφους. Επιπλέον το σύστημα γείωσης θα πρέπει να οδηγεί το ρεύμα του κεραυνού και να προστατεύει το προσωπικό από πτώσεις τάσεις επαφής και βηματικές. Έχοντας υπόψη τα παραπάνω το σύστημα γείωσης είναι κατασκευασμένο ως ακολούθως: α) αγωγός σε σχήμα δαχτυλιδιού 50mm 2 Cu είναι τοποθετημένος γύρω από τη βάση (σε μια απόσταση 1m) και περίπου 1m κάτω από το επίπεδο του εδάφους. β) ο αγωγός σε σχήμα δαχτυλιδιού συμπληρώνεται με δύο ράβδους με επικάλυψη χαλκού μήκους 6m. Οι ράβδοι γείωσης είναι θαμμένες σε κάθε πλευρά του πύργου (180 ο μεταξύ των ράβδων γείωσης), γ) ο αγωγός σε σχήμα δαχτυλιδιού είναι συνδεμένος με τα δύο πόδια του πύργου ή δυο αντίθετα σημεία σε έναν σωληνοειδή πύργο. Ο ελεγκτής εδάφους είναι συνδεμένος σε ένα από αυτά τα σημεία. Αν η αντίσταση του εδάφους δεν είναι επαρκώς χαμηλή το σύστημα γείωσης μπορεί να βελτιωθεί. Οι δύο ράβδοι γείωσης μπορούν να επεκταθούν στα 10m ή δύο επιπλέον ράβδοι 10m ο καθένας τους μπορούν να προστεθούν (90 ο μεταξύ των τεσσάρων ράβδων γείωσης). Για να γειώσουμε τις ανεμογεννήτριες, πρέπει να ενισχυθούν οι πύργοι. Η εγκατάσταση ενός ηλεκτροδίου γείωσης στη βάση του πύργου, και αν υπάρχει στο 68

73 κτήριο λειτουργίας, πρέπει επίσης να προτιμάται εν όψει της διάβρωσης των αγωγών γείωσης. Το σύστημα γείωσης των βάσεων των πύργων και των λειτουργικών κτηρίων (αν υπάρχουν) είναι συνδεμένα με μια γείωση στην προσπάθεια να έχουμε ένα σύστημα γείωσης με την μεγαλύτερη δυνατή επιφάνεια. Η επέκταση με κάποια ηλεκτρόδια σε σχήμα δαχτυλιδιού για τον έλεγχο του δυναμικού, τα οποία πρέπει να είναι διατεταγμένα γύρω από τις βάσεις του πύργου, εξαρτάται από το πόσο υψηλές είναι οι τάσεις επαφής και βήματος, που πρέπει να μειωθούν, για την προστασία του προσωπικού σε περίπτωση κεραυνικού πλήγματος. Κάθε κομμάτι του συστήματος γείωσης έχει μια απόσταση με το άλλο περίπου 4 m. Έτσι δεν υπάρχει κίνδυνος για βηματικές τάσεις στην επιφάνεια της γης κατά την διάρκεια μιας καταιγίδας. Αυτό δημιουργεί μια «ισοδυναμική επιφάνεια» η οποία εμποδίζει τις ενδεχόμενες βηματικές διαφορές σε περίπτωση κεραυνικού πλήγματος. [10] Σκοπός του συστήματος γείωσης είναι: 1. Να διαχέεται το ρεύμα του κεραυνού στο έδαφος, μέσω των ηλεκτροδίων γείωσης, χωρίς να αναπτύσσονται επικίνδυνες υπερτάσεις. 2. Να συνδέει ισοδυναμικά τους αγωγούς καθόδου, όπου αυτό είναι εφικτό. 3. Να περιορίζει την ανύψωση του δυναμικού του εδάφους στην περιοχή του. 4. Να αναχαιτίζει τον κεραυνό στην περίπτωση επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Δύο βασικά στοιχεία που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την σχεδίαση του συστήματος γείωσης είναι αφενός η μορφή και οι διαστάσεις του και αφετέρου η τιμή της αντίστασης γείωσης. Είναι πολύ σημαντικό η αντίσταση γείωσης να έχει όσο το δυνατόν χαμηλότερη τιμή, γιατί έτσι μειώνονται δραστικά οι τάσεις επαφής και οι βηματικές τάσεις. Ακόμη περιορίζονται οι μέγιστες τάσεις κατά μήκος του πύργου συμβάλλοντας έτσι στην προστασία των ηλεκτρονικών συσκευών αλλά και άλλων ευάλωτων στοιχείων της ανεμογεννήτριας. Όπως ειπώθηκε, είναι επιθυμητό η αντίσταση γείωσης να έχει όσο το δυνατόν μικρότερη τιμή. Η αποτελεσματικότητα ενός συστήματος γείωσης εξαρτάται πάρα πολύ από την ειδική αντίσταση του εδάφους. 69

74 ΠΙΝΑΚΑΣ 7: Ειδική αντίσταση εδάφους [31] Τύπος εδάφους Ειδική αντίσταση (Ωm) Ελώδες έδαφος 5-40 Αργιλώδες, πηλώδες ή αγρού Υγρή άμμος < 300 Υγρά χαλίκια Ξηρή άμμος >2000 Πετρώδες και ξηρά χαλίκια >2000 Επειδή οι τιμές της ειδικής αντίστασης γείωσης του εδάφους ποικίλουν πολύ, ο μόνος ικανοποιητικός τρόπος για την εύρεση της τιμής της είναι να μετριέται κάθε φορά απ ευθείας η ειδική αντίσταση γείωσης Μέθοδοι γείωσης της ανεμογεννήτριας και βελτίωσης της αντίστασης γείωσης. [32] Η γείωση μιας ανεμογεννήτριας πραγματοποιείται τοποθετώντας ένα ηλεκτρόδιο τύπου δακτυλίου γύρω από τα θεμέλια και συνδέεται μέσω των θεμελίων με τον πύργο της ανεμογεννήτριας. Κάθετοι ράβδοι ή οριζόντια ηλεκτρόδια συνδέονται συχνά με το δακτυλιοειδές ηλεκτρόδιο γείωσης ώστε να επιτυγχάνεται καλύτερη τιμή της αντίστασης γείωσης. Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, τιμή αντίστασης γείωσης μικρότερη ή ίση με 10Ω θεωρείται κατάλληλη για τους σκοπούς του συστήματος της αντικεραυνικής προστασίας. Σύμφωνα με τους κανονισμούς (IEC 62305) υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες διάταξης των ηλεκτροδίων γείωσης: Διάταξη τύπου Α: Η διάταξη αυτού του τύπου περιλαμβάνει ακτινικά οριζόντια ή κατακόρυφα ηλεκτρόδια γείωσης. Κάθε αγωγός καθόδου πρέπει να συνδέεται τουλάχιστον σε ένα ανεξάρτητο ηλεκτρόδιο γείωσης, ενώ ο ελάχιστος συνολικός αριθμός ηλεκτροδίων γείωσης πρέπει να είναι δύο. Τα ηλεκτρόδια γείωσης πρέπει να αλληλοσυνδέονται μέσω δακτυλίου ισοδυναμικής σύνδεσης ή ισοδυναμικών ζυγών στην κατασκευή. Διάταξη τύπου Α θεωρείται και μια διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης που επιπρόσθετα περιλαμβάνει περιμετρικό δακτύλιο ισοδυναμικής σύνδεσης των 70

75 αγωγών καθόδου ο οποίος βρίσκεται σε επαφή με το έδαφος σε ποσοστό μικρότερο από το 80% του συνολικού μήκους του. Διάταξη τύπου Β: Η διάταξη αυτού του τύπου αποτελείται από ένα περιμετρικό ηλεκτρόδιο γείωσης τύπου δακτυλίου, εξωτερικά της κατασκευής, με τουλάχιστον το 80% του μήκους του σε επαφή με το έδαφος ή από ένα ηλεκτρόδιο θεμελιακής γείωσης. Σε μια ανεμογεννήτρια συνήθως χρησιμοποιείται διάταξη τύπου Β με ηλεκτρόδιο τύπου δακτυλίου να τοποθετείται περιμετρικά και το οποίο συνδέεται με το ενισχυμένο σκυρόδεμα των θεμελίων. Εικόνα 5.17: Εγκατάσταση θεμελιακού ηλεκτροδίου γείωσης. [23] Πιο συγκεκριμένα λόγω των μεγάλων δυνάμεων που ασκούνται από τον άνεμο στη ανεμογεννήτρια, είναι απαραίτητη μια βάση πύργου με αξιοσημείωτη μηχανική αντοχή. Μία βάση από ενισχυμένο σκυρόδεμα ικανοποιεί αυτή την απαίτηση και ταυτόχρονα συμβάλλει στον σχεδιασμό μίας αποτελεσματικής διαδρομής όδευσης του ρεύματος του κεραυνού προς την γη. Για ακόμη περισσότερη μηχανική ενίσχυση της βάσης χρησιμοποιούνται ενισχυτικές μπάρες, στο εσωτερικό του σκυροδέματος, που και αυτές μπορούν να συμβάλλουν στην οδήγηση του ρεύματος προς την γη. Το συσσωρευμένο μήκος αυτού του συστήματος μπαρών πρέπει να είναι τουλάχιστον 6 m. Έτσι δημιουργείται ένα πλέγμα μεγάλης έκτασης το οποίο εξασφαλίζει μικρές πυκνότητες ρεύματος. 71

76 Εικόνα 5.18: Χρήση σκυροδέματος με ενισχυτικές μπάρες ως ηλεκτρόδιο γείωσης. [24] Εκτός από την χρήση του συστήματος των ενισχυτικών μπαρών, πάντα χρησιμοποιούνται ένα ή περισσότερα ηλεκτρόδια τύπου δακτυλίου εξωτερικά της ανεμογεννήτριας, ενταφιασμένα σε βάθος τουλάχιστον 0.5 m. Επειδή οι ανεμογεννήτριες είναι συνήθως εγκατεστημένες σε βραχώδεις ή ξηρές περιοχές, για να επιτευχθεί η επιθυμητή τιμή της αντίστασης χρησιμοποιούνται επιπρόσθετα ηλεκτρόδια γείωσης τα οποία συνδέονται στο εξωτερικό ηλεκτρόδιο. Στη παρακάτω εικόνα απεικονίζεται ένα ολοκληρωμένο σύστημα γείωσης. 72

77 Εικόνα 5.19: Σύστημα γείωσης αποτελούμενο από πλέγμα μπαρών, δύο ηλεκτρόδια τύπου δακτυλίου και επιπρόσθετα ηλεκτρόδια γείωσης. [24] 5.3 Ανεμόμετρο Οι ανεμογεννήτριες διαθέτουν ένα υπερηχητικό ανεμόμετρο το οποίο είναι τοποθετημένο στο πίσω μέρος της κορυφής της νασέλλας. Αυτό προστατεύεται απέναντι στα κεραυνικά πλήγματα με ένα ατσάλινο δαχτυλίδι γύρω του. Το προστατευτικό δαχτυλίδι είναι απευθείας συνδεμένο με την εσωτερική ατσάλινη δομή της νασέλλας. Το θωρακισμένο καλώδιο για το ανεμόμετρο οδηγείται στο εσωτερικό της κατασκευής από τον αισθητήρα στην νασέλλα (εικ. 5.20, 5.21). [10] 73