Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ

Transcript

1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΑΠΕ) Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ ΠΑΤΡΑ, 2016 ΑΝΑΠΤΥΞΙΑΚΗ ΣΥΜΠΡΑΞΗ ΗΛΙΟΣ ΗΛΙΟΣ - Τοπικό σχέδιο για την απασχόληση ανέργων στην κατασκευή και τη συντήρηση έργων Α.Π.Ε. με έμφαση στις δράσεις του προγράμματος «ΗΛΙΟΣ» και παρεμβάσεων εξοικονόμησης ενέργειας

2

3 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Περιεχόμενα 1. Ορισμοί & Συντομογραφίες Ορισμοί Συντομογραφίες Ηλεκτροπαραγωγή από ΑΠΕ Φωτοβολταϊκό Πάρκο Εισαγωγή Βασικές Αρχές Σχεδιασμού Μελέτη Περίπτωσης Επιθεώρηση Αιολικό Πάρκο Εισαγωγή Ανεμογεννήτριες Μελέτη Περίπτωσης Εργοστάσιο Βιομάζας Σκοπός Εισαγωγικά στοιχεία Βασικές αρχές σχεδιασμού Μελέτη Περίπτωσης - Ενεργειακή Μελέτη Παράρτημα Ι Παράρτημα ΙΙ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΦΟΡΑ Σελίδα 3 of 113

4 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Σελίδα 4 of 113

5 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ 1. Ορισμοί & Συντομογραφίες 1.1 Ορισμοί Ημιαγωγός Ημιαγωγός είναι κάθε υλικό που έχει ειδική αντίσταση με τιμές ανάμεσα σε αυτές των μονωτών (μεγάλη) και των αγωγών (μικρή) και που εμφανίζει ραγδαία μείωση της ειδικής του αντίστασης με την αύξηση της θερμοκρασίας του. Απόδοση Φ/Β δομοστοιχείου Η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού δομοστοιχείου ορίζει το ποσοστό της ηλιακής ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Τάση ανοιχτοκύκλωσης Φ/Β δομοστοιχείου (Voc) Η τάση ανοιχτοκύκλωσης ενός δομοστοιχείου ορίζεται με βάση το φύλλο προδιαγραφών του και αφορά στην τάση που παρουσιάζει ένα δομοστοιχείο Ανάστροφο Ρεύμα Το ανάστροφο ρεύμα σε ένα ημιαγωγό είναι το ρεύμα που εμφανίζεται στον ημιαγωγό όταν αυτός είναι ανάστροφα πολωμένος. Πρότυπες Συνθήκες Δοκιμής (STC) Οι συνθήκες αυτές ορίζονται για ένταση ακτινοβολίας 1000 W/m 2, θερμοκρασία φωτοβολταϊκής κυψέλης 25 ο C και φάσμα ΑΜ 1,5g. DC / ΑC πλευρά Η DC πλευρά ενός πάρκου αποτελεί το τμήμα του πάρκου στο οποίο το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα είναι συνεχές. Η AC πλευρά του πάρκου αποτελεί το τμήμα του πάρκου στο οποίο το ρεύμα είναι εναλλασσόμενο. ΑΕΡ Ετήσια Αναμενόμενη Ενέργεια (Annual Energy Production). Η ενέργεια που αναμένεται να παράγει μια αιολική εγκατάσταση κατά τη διάρκεια ενός έτους. Δείκτης τραχύτητας Zo Το μέσο ύψος βλάστησης ή εμποδίων από το έδαφος για μια περιοχή. Πυκνότητα αέρα Η μάζα ανά όγκο στην ατμόσφαιρα. Χρονοσειρά ανεμολογικών δεδομένων Σελίδα 5 of 113

6 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Πίνακας με τις μετρήσεις ταχύτητας και διεύθυνσης ανέμου που έχουν καταγραφεί με μία συγκεκριμένη συχνότητα για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Φαινόμενο Coriolis Το φαινόμενο Coriolis εξηγεί την αντιωρολογιακή (ως προς παρατηρητή στον Νότιο πόλο) κίνηση του ανέμου στην επιφάνεια της Γης. Η επιφάνεια της Γης λόγω της περιστροφής αλλάζει κατεύθυνση κι επομένως επιταχύνεται. Όμως σε ένα επιταχυνόμενο σύστημα αναφοράς δεν ισχύουν οι νόμοι κίνησης του Νεύτωνα. Χρειαζόμαστε έτσι, μία δύναμη που να εξηγεί αυτήν την κίνηση, την δύναμη Coriolis. Κάθε κίνηση στο Βόρειο ημισφαίριο εκτρέπεται προς τα δεξιά και στο νότιο ημισφαίριο είναι αντίθετα προς τα αριστερά, και εφόσον η δύναμη είναι κάθετη στην ταχύτητα, οι τροχιές των ανέμων είναι κυκλικές. Ανεμόμετρο Ο αισθητήρας μέτρησης της ταχύτητας του ανέμου. Χωροθέτηση Ο προσδιορισμός της θέσης ενός αντικειμένου στο στάδιο της σχεδίασης. Ρότορας Ανεμογεννήτριας Το περιστρεφόμενο μέρος της ανεμογεννήτριας που περιλαμβάνει τα πτερύγια του έλικα. Βιομάζα (biomass) Υλικό βιολογικής προέλευσης εξαιρουμένου του υλικού εβρισκόμενου σε γεωλογικούς σχηματισμούς το οποίο μετατράπηκε σε ορυκτό καύσιμο. Στερεά καύσιμα από βιομάζα (solid biofules) Στερεή βιομάζα φυτικής προέλευσης, η οποία διαιρείται στις εξής υποκατηγορίες: Ξυλώδης βιομάζα (Woody Biomass): προερχόμενη από δένδρα και θάμνους Βιομάζα από ποώδη βλάστηση (hebacus biomass): προερχόμενη από φυτά με ποώδες στέλεχος, τα οποία πεθαίνουν στο τέλος της καλλιεργητικής περιόδου. Τα δημητριακά συμπεριλαμβάνονται σε αυτή την κατηγορία. Βιομάζα από φρούτα (fruit biomass) Μίγματα (mixes) Ανωτέρα Θερμογόνος Δύναμη ή Higher Heating Value (HHV) Η ποσότητα της θερμότητας που λαμβάνεται εάν ανάγουμε όλα τα προϊόντα της καύσης στην θερμοκρασία που είχαν πριν την καύση, υπό κανονικές συνθήκες. Κατωτέρα Θερμογόνος Δύναμη ή Lower Heating Value (LLV) Η HHV μείον την λανθάνουσα θερμότητα ατμών, σε κανονικές συνθήκες. Απόβλητα Σελίδα 6 of 113

7 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Κάθε ουσία ή αντικείμενο, το οποίο ο κάτοχός του απορρίπτει ή προστίθεται ή υποχρεούται να απορρίψει. Επικίνδυνα απόβλητα Τα απόβλητα που εμφανίζουν μία ή περισσότερες από τις επικίνδυνες ιδιότητες που αναφέρονται στο παράρτημα ΙΙΙ. Παραγωγός αποβλήτων Κάθε πρόσωπο, του οποίου η δραστηριότητες παράγουν απόβλητα (αρχικός παραγωγός αποβλήτων) ή κάθε πρόσωπο που πραγματοποιεί εργασίες προεπεξεργασίας, ανάμειξης ή άλλες οι οποίες οδηγούν σε μεταβολή της φύσης ή της σύνθεσης των αποβλήτων αυτών. Κάτοχος αποβλήτων ο παραγωγός αποβλήτων ή το φυσικό ή νομικό πρόσωπο, στην κατοχή του οποίου ευρίσκονται τα απόβλητα. Διαχείριση αποβλήτων Η συλλογή, μεταφορά, ανάκτηση και διάθεση αποβλήτων. Υπόστρωμα ή FM (Fresh Matter) Η βιομάζα ως παρελήφθη. Ολικά στερεά ή TS (Total Solids) Η % περιεκτικότητα στερεάς ουσίας σε ένα υπόστρωμα. Τα TS είναι συμπληρωματικά της περιεκτικότητας σε υγρασία. Οργανική Ύλη ή OM (Organic Matter) ή VS (Volatile Solids) Η % περιεκτικότητα οργανικής ύλης σε μία ουσία. Μπορεί να δίδεται είτε ως % επί του FM ή ως % των TS. Βιοαέριο ή Biogas Αέριο μίγμα αποτελούμενο κυρίως από CH4 και CO2. Η συνήθης περιεκτικότητα του CH4 στο βιοαέριο είναι 50-60% κ.ο. Σελίδα 7 of 113

8 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού 1.2 Συντομογραφίες Φ/Β: ΣΑΠ: STC: DC: AC: Si: kwhe: kwhth: kwe: kwth: Φωτοβολταϊκός (-ά) Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας Standard Test Conditions Direct Current Alternating Current Silicon (Πυρίτιο) Ηλεκτρική ενέργεια Θερμική ενέργεια Ηλεκτρική ισχύς Θερμική ισχύς Σελίδα 8 of 113

9 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ 2. Ηλεκτροπαραγωγή από ΑΠΕ 2.1 Φωτοβολταϊκό Πάρκο Εισαγωγή Μικροσκοπικά Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο στηρίζεται στη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η διαδικασία αυτή επιτελείται μέσα από ημιαγωγούς, των οποίων τα ηλεκτρικά φορτία πολώνονται όταν έρθουν σε επαφή με την ακτινοβολία του ήλιου. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια αποτελούνται συνήθως από έναν ημιαγωγό p-n, ο οποίος ισοδυναμεί με μία δίοδο η οποία πολώνεται ορθά όταν ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει σε αυτή, δημιουργώντας μία διαφορά δυναμικού. Η δίοδος p-n αποτελείται από ένα ημιαγώγιμο στρώμα p, το οποίο διαθέτει επιπλέον οπές, οι οποίες υποδηλώνουν απουσία ηλεκτρονίου και επομένως πιο θετικό φορτίο και από ένα ημιαγώγιμο στρώμα n, το οποίο διαθέτει επιπλέον ηλεκτρόνια, τα οποία υποδηλώνουν απουσία οπών, άρα πιο αρνητικό φορτίο. Στη φάση της ένωσης των δύο ημιαγωγών παρατηρείται μία διάχυση των οπών από την περιοχή p προς την περιοχή n, όπου επανασυνδέονται με τα ηλεκτρόνια της περιοχής n. Αντιστοίχως, τα ηλεκτρόνια κινούνται από την περιοχή n προς την περιοχή p και ενώνονται με τις οπές της περιοχής p. Για το λόγο αυτό στην περιοχή της ένωσης, οι περιοχές p και n απογυμνώνονται από τους αντίστοιχους φορείς πλειονότητας (στην περιοχή p οι φορείς πλειονότητας είναι οι οπές, ενώ στην περιοχή n οι φορείς πλειονότητας είναι τα ηλεκτρόνια) και δημιουργείται πλεόνασμα φορέων μειονότητας στα σημεία αυτά. Δηλαδή στην περιοχή p εντοπίζεται πλεόνασμα ηλεκτρονίων και στην περιοχή n πλεόνασμα οπών. Τα δύο ημιαγώγιμα στρώματα διαχωρίζονται από τη ζώνη ενεργειακού χάσματος, με αποτέλεσμα να μην δύναται υπό φυσιολογικές συνθήκες, δηλαδή σε περίπτωση που δεν αποδοθεί κάποια μορφή ενέργειας στο κύκλωμα να μετακινηθούν τα ηλεκτρόνια από το στρώμα n στο στρώμα p. Κατά τη φάση αυτή (φάση ισορροπίας του κυκλώματος) εντοπίζεται η ανάπτυξη ενός αντίστροφου ηλεκτρικού πεδίου ανάμεσα στα δύο στρώματα. Στην περίπτωση όμως που παρέχεται ενέργεια (επί παραδείγματι μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας) και δεδομένου ότι το ποσό της ενέργειας αυτής είναι ικανό να προσδώσει στα ηλεκτρόνια την απαιτούμενη ενέργεια για να υπερπηδήσουν τη συγκεκριμένη ζώνη ενεργειακού χάσματος, τότε παρατηρείται μία μετακίνηση ηλεκτρονίων από το στρώμα p στο στρώμα n. Αντιστοίχως, οι οπές μετακινούνται από το στρώμα n στο στρώμα p. Σχηματικά, τα στρώματα και η ζώνη σθένους παρουσιάζεται ακολούθως, καθώς επίσης και η διαδικασία κατά την οποία μία οπή μεταπηδά από το στρώμα n στο στρώμα p. Σελίδα 9 of 113

10 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Εικόνα 1: Ημιαγωγός pn Σελίδα 10 of 113

11 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Τα ηλεκτρόνια που εντοπίζονται στο στρώμα p κινούνται προς το στρώμα n, ενώ οι οπές που βρίσκονται στο στρώμα n κινούνται προς το στρώμα p. Επομένως, το σύστημα των ημιαγωγών pn λειτουργεί ως δίοδος, καθώς επιτρέπει την κίνηση των φορτίων και πιο συγκεκριμένα των ηλεκτρονίων της ζώνης αγωγιμότητας να κινούνται μόνο από τον ημιαγωγό p στον ημιαγωγό n. Η ροή αυτή των ηλεκτρονίων και των οπών αποτελεί το ηλεκτρικό ρεύμα που εντοπίζεται και ορίζεται ως το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το φαινόμενο αυτό εντοπίστηκε πρώτη φορά από τον φυσικό Edmond Becquerel το 1839, κατά τη διάρκεια πειραμάτων του με μια ηλεκτρολυτική επαφή φτιαγμένη από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια. Έκτοτε, το φαινόμενο αυτό μελετήθηκε και οι πρώτες ηλιακές κυψέλες προέκυψαν το 1954 από τους ερευνητές του Bell Labs, Gerald Pearson, Daryl Chapin και Calvin Souther Fuller. Συνήθεις τεχνολογίες Η τεχνολογία που χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα είναι η τεχνολογία κρυσταλλικού πυριτίου. Το πυρίτιο αποτελεί το 90% περίπου της παγκόσμιας παραγωγής φωτοβολταϊκών κυψελών, λόγω κυρίως της τεχνικής υποδομής που αναπτύχθηκε από τη δεκαετία του 60 για την αξιοποίηση και επεξεργασία της κρυσταλλικής δομής του υλικού σε αντίστοιχες εφαρμογές. Επιπλέον, ένα βασικό πλεονέκτημα του υλικού αυτού είναι το γεγονός ότι υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες στη γη, με αποτέλεσμα να θεωρείται σχετικά φθηνό υλικό για την απόδοση που δύναται να παρέχει. Σημειώνεται ότι το 2007 αποτέλεσε την πρώτη χρονιά κατά την οποία η ζήτηση σε τόνους κρυσταλλικού πυριτίου ήταν μεγαλύτερη για την αγορά των φωτοβολταϊκών σε σχέση με την αγορά των ηλεκτρονικών. Σημειώνεται ωστόσο ότι λόγω της ευθραυστότητάς του, απαιτείται σχηματισμός στοιχείων σχετικά μεγάλου πάχους και επίσης απαιτείται το υλικό να έχει υψηλή καθαρότητα και όσο το δυνατόν πιο τέλεια δομή, ώστε να αυξάνεται ο βαθμός απόδοσης του στοιχείου. Αναλόγως την επεξεργασία του, το πυρίτιο δύναται να δώσει μονοκρυσταλλικά, πολυκρυσταλλικά και άμορφα υλικά, εκ των οποίων παράγονται τα αντίστοιχα φωτοβολταϊκά δομοστοιχεία. Πολυκρυσταλλικά Φ/Β πλαίσια Τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά πλαίσια (Multi Crystalline Silicon, mc-si) αποτελούν έναν οικονομικό και σχετικά γρήγορο τρόπο παραγωγής δομοστοιχείων και αποτελούν τα πλέον διαδεδομένα φωτοβολταϊκά στοιχεία παγκοσμίως. Η απόδοση των πλαισίων κυμαίνεται στο 15%, η οποία είναι σχετικά μικρή σε σχέση με τα μονοκρυσταλλικά πλαίσια, λόγω των ανομοιογενειών που παρουσιάζουν. Ωστόσο, διαθέτουν χαμηλότερο κόστος και για το λόγο αυτό κυρίως έχουν επικρατήσει στην αγορά. Μονοκρυσταλλικά Φ/Β πλαίσια Τα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά πλαίσια (Single Crystalline Silicon, sc-si) έχουν μεγαλύτερο κόστος κατασκευής από τα πολυκρυσταλλικά δομοστοιχεία, ωστόσο είναι ιδιαίτερα αποδοτικά λόγω της ενεργειακής τους πυκνότητας. Η απόδοσή τους κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 14% και 20%. Σελίδα 11 of 113

12 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Άμορφο δομοστοιχείο Τα δομοστοιχεία της τεχνολογίας αυτής παράγονται από την εναπόθεση του άμορφου πυριτίου σε υπόστρωμα χαμηλού κόστους όπως το γυαλί ή το αλουμίνιο. Η συγκεκριμένη τεχνολογία παρουσιάζει χαμηλό βαθμό απόδοσης, το οποίο ωστόσο δύναται να ξεπεραστεί με τη χρήση τεχνικών οπτικής ενίσχυσης. Επιπλέον, παρουσιάζει αστάθεια ως προς την ηλεκτρική του συμπεριφορά κατά τους πρώτους μήνες της λειτουργίας τους. Ωστόσο, παρουσιάζει εκμεταλλεύεται καλύτερα τη διάχυτη ακτινοβολία σε σχέση με τις λοιπές τεχνολογίες και εμφανίζει μικρότερη εξάρτηση από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Η απόδοση των δομοστοιχείων αυτών κυμαίνεται περίπου στο 8%. Λοιπές τεχνολογίες Εκτός από τις προαναφερθείσες τεχνολογίες, υφίστανται και λοιπές τεχνολογίες δομοστοιχείων, επί παραδείγματι η τεχνολογία συγκεντρωτικών φωτοβολταϊκών (CPV) και των φωτοβολταϊκών υαλοπετασμάτων (BIPV). Τα Φ/Β συγκεντρωτικού τύπου στηρίζονται στη χρήση ενός συστήματος συλλεκτών για τη συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας στις ηλιακές κυψέλες, με αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσής τους. Τα φωτοβολταϊκά υαλοπετάσματα (BIPV) αποτελούν φωτοβολταϊκά στοιχεία ενσωματωμένα στο κτιριακό κέλυφος, τα οποία λειτουργούν και ως δομικά υλικά του κτιρίου, καθώς επίσης και ως πρωτεύουσες ή δευτερεύουσες πηγές ενέργειας. Επισημαίνεται ότι τα στοιχεία αυτά ενσωματώνονται κατά τη φάση της κατασκευής του κτιρίου και όχι εκ των υστέρων, όπως τα φωτοβολταϊκά στοιχεία BAPV. Σελίδα 12 of 113

13 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Βασικές Αρχές Σχεδιασμού Ενεργειακή Μελέτη Αρχικά, κατά τη φάση σχεδιασμού ενός πάρκου διεξάγεται η διαδικασία της διαστασιολόγησης των συστημάτων. Κατά τη διαδικασία αυτή, ελέγχεται η τοπολογία της περιοχής εγκατάστασης του πάρκου και διεξάγονται συγκριτικές μελέτες και αναλύσεις κόστους - ωφέλειας όσον αφορά στην τεχνολογία που θα τοποθετηθεί, ώστε να εντοπιστεί η βέλτιστη λύση σχετικά με την παραγωγή του πάρκου σε συνάρτηση με το αντίστοιχο κόστος κατασκευής και λειτουργίας. Η ενεργειακή μελέτη συνδέεται άμεσα με τη μελέτη χωροθέτησης του γηπέδου. Η μελέτη χωροθέτησης του γηπέδου σχετίζεται με τη διαδικασία τοποθέτησης του εξοπλισμού του φωτοβολταϊκού πάρκου εντός των ορίων του γηπέδου, σύμφωνα με τις κείμενες διατάξεις. Σημειώνεται ότι σύμφωνα με την ελληνική νομοθεσία, οι φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις ισχύος μέχρι και 100 kw συνδέονται στο δίκτυο χαμηλής τάσης, ενώ οι εγκαταστάσεις που είναι μεγαλύτερες των 100 kw μέχρι 1 MW συνδέονται στο δίκτυο μέσης τάσης, μέσω κατάλληλου υποσταθμού μέσης τάσης. Ο Υποσταθμός Μέσης Τάσης διαθέτει κατάλληλες διατάξεις προστασίας και ελέγχου, καθώς επίσης και μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης στο επίπεδο της τάσης του δικτύου. Στην περίπτωση που το πάρκο θα πρέπει να συνδεθεί στη Μέση Τάση και για το λόγο αυτό απαιτείται η εγκατάσταση υποσταθμού μέσης τάσης, ακολουθείται το πρότυπο EN , ως προς την ενεργειακή απόδοση της εγκατάστασης για την εύρεση του βέλτιστου σημείου τοποθέτησης του υποσταθμού. Η μελέτη χωροθέτηση διεξάγεται με βάση το τοπογραφικό σχέδιο του γηπέδου. Καθορίζονται τα όρια του πάρκου, σύμφωνα με τις κείμενες διατάξεις και πιο συγκεκριμένα αφήνονται τα αντίστοιχα περιθώρια από τα όρια του γηπέδου με βάση τις διατάξεις της Υπουργικής Απόφασης ΦΕΚ 583 Β / Σύμφωνα με τη διάταξη αυτή θα πρέπει να αφήνεται απόσταση ίση με 2,5 m από τα όρια του γηπέδου σε περίπτωση που το μέγιστο ύψος του εξοπλισμού είναι 2,5 m και απόσταση ίση με 5 m όταν το μέγιστο ύψος του εξοπλισμού υπερβαίνει τα 2,5m. Εν συνεχεία, τοποθετείται ο εξοπλισμός εντός των ορίων που καθορίστηκαν, λαμβάνοντας υπόψη και αποστάσεις που θα πρέπει να αφεθούν περιμετρικά και εντός της εγκατάστασης για την διάνοιξη χανδάκων για την όδευση των καλωδίων. Είναι σύνηθες να αφήνεται περιμετρικά του γηπέδου ικανός χώρος για τη διάνοιξη περιμετρικού χάνδακα, μέσα από τον οποίο διέρχονται συνήθως οι καλωδιώσεις που σχετίζονται με τα συστήματα ασφαλείας του πάρκου, καθώς τα συστήματα αυτά θα πρέπει να καλύπτουν περιμετρικά όλο το πάρκο για την επιτήρησή του, καθώς επίσης και οι καλωδιώσεις για τη μεταφορά του dc και ac ρεύματος. Επιπλέον, αναλόγως την τοπολογία του πάρκου είναι δυνατή η διάνοιξη ενός κεντρικού χάνδακα για τις καλωδίωσεις με φέρουν το dc και ac ρεύμα, με στόχο τη μείωση του κόστους κατασκευής του πάρκου ή / και τη βελτιστοποίηση της ενεργειακής παραγωγής του πάρκου. Επιπλέον με τα ανωτέρω, θα πρέπει να διανοιχθεί και οδός εντός του γηπέδου πλάτους περίπου 3-4 m, μέσω της οποίας θα δίνεται η δυνατότητα επίσκεψης σε όλα τα σημεία του πάρκου. Το πλάτος του δρόμου σχετίζεται άμεσα με τον εξοπλισμό που θα τοποθετηθεί στο πάρκο και τις απαιτήσεις για αντικατάσταση / επιδιόρθωση που δύναται να έχουν. Επί παραδείγματι, αναφέρεται ότι σε περίπτωση που στο πάρκο υφίσταται υποσταθμός μέσης τάσης, θα πρέπει η οδός να παρέχει τη δυνατότητα επίσκεψης του υποσταθμού με κατάλληλο όχημα για πιθανή αντικατάσταση μετασχηματιστή. Επιπροσθέτως, θα πρέπει να εξεταστεί και η πιθανότητα να αφεθούν κατάλληλες αποστάσεις ανάμεσα στα διάφορα στοιχεία του εξοπλισμού του πάρκου προς διευκόλυνση της διέλευσης των οχημάτων κατά τη διαδικασία της υλοποίησης του πάρκου. Σελίδα 13 of 113

14 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Ακόμη, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να ληφθούν υπόψη τυχόν υψομετρικές διαφορές εντός του γηπέδου για τη τοποθέτηση των συστημάτων, με στόχο τη μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης του πάρκου. Η ανάλυση κόστους ωφέλειας απαιτεί την διεξαγωγή ενεργειακής μελέτης για την εύρεση της ενέργειας που δύναται να παράγει το πάρκο. Η ενεργειακή μελέτη βασίζεται στο ηλιακό δυναμικό της περιοχής, το οποίο λαμβάνεται από κατάλληλους χάρτες δυναμικού ή μπορεί να υπολογιστεί κατάλληλα από αντίστοιχα προγράμματα προσομοίωσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων, όπως είναι επί παραδείγματι το πρόγραμμα PVSYST. Σημειώνεται ότι είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε περίπτωση που δεν χρησιμοποιηθούν κατάλληλα προγράμματα προσομοίωσης να υπολογιστεί ο συνολικός συντελεστής απόδοσης του πάρκου, ο οποίος σχετίζεται με την απόδοση των φωτοβολταϊκών δομοστοιχείων του πάρκου και των αναστροφέων, με την πτώση τάσης που δύναται να εντοπιστεί στις καλωδιώσεις, με τις διαδικασίες συντήρησης του πάρκου και πιο συγκεκριμένα πόσο συχνά θα πραγματοποιείται καθαρισμός του πάρκου, ώστε να απομακρύνονται ρυπαντικοί παράγοντες επί της επιφανείας των δομοστοιχείων και τοπικοί παράγοντες σκίασης (επί παραδείγματι γειτονικά φυτά, των οποίων το ύψος έχει αυξηθεί σε βαθμό που σκιάζει τα δομοστοιχεία). Επιπροσθέτως, είναι σημαντικό να προσδιοριστούν και παράγοντες σκίασης που δύναται να υπάρχουν στο πάρκο και οι οποίοι διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ενεργειακή παραγωγή του πάρκου. Οι παράγοντες αυτοί μπορεί να σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά του πάρκου (υψομετρικές διαφορές), με αντικείμενα που προκαλούν σκίαση και υφίστανται στο πάρκο (δένδρα) είτε με αντικείμενα που βρίσκονται σε μακρινή απόσταση. Παραδείγματα αντικειμένων σε μακρινή απόσταση που προκαλούν σκίαση μπορούν να θεωρηθούν οι μακρινοί λόφοι ή ακόμη και κοντινά αντικείμενα εάν είναι πολύ μεγάλα σε σχέση με το μέγεθος της στοιχειοσειράς, με αποτέλεσμα να εμποδίζεται πλήρως η άμεση πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στην εγκατάσταση. Οι υψομετρικές διαφορές δύναται να προκαλέσουν τη σκίαση μίας τράπεζας που φέρει δομοστοιχεία από τη νοτιότερη για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους σε σχέση με αντίστοιχο γήπεδο που δεν παρουσιάζει υψομετρικές διαφορές. Συστήνεται η ενεργειακή μελέτη να διεξάγεται με κατάλληλα προγράμματα προσομοίωσης στα οποία όλοι οι ανωτέρω παράγοντες μπορούν να προσδιοριστούν με μεγαλύτερη ακρίβεια. Ακολουθεί αντίστοιχη εικόνα από το πρόγραμμα προσομοίωσης PVSYST, στο οποίο έχει κατασκευαστεί ένα Φ/Β πάρκο και προσομοιάζεται η συμπεριφορά του κατά τη διάρκεια της ημέρας με βάση την κίνηση του ηλίου. Σελίδα 14 of 113

15 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 2: Ενδεικτικό στιγμιότυπο από πρόγραμμα προσομοίωσης (PVSYST) Σελίδα 15 of 113

16 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Αναφορικά με την παραπάνω εικόνα, επισημαίνεται ότι τα παραλληλόγραμμα που απεικονίζονται με μπλε χρώμα είναι τράπεζες φωτοβολταϊκών δομοστοιχείων, ενώ με γκρι χρώμα προσομοιώνεται η σκίαση των δομοστοιχείων από τις νοτιότερες τράπεζες. Σημειώνεται ότι η σκίαση των δομοστοιχείων δεν παραμένει σταθερή καθ όλη τη διάρκεια της κίνησης του ήλιου. Εν συνεχεία, ακολουθεί η διαστασιολόγηση του εξοπλισμού ενός φωτοβολταϊκού πάρκου, για την οποία θα πρέπει να εξεταστούν τα βασικά χαρακτηριστικά των δομοστοιχείων και πιο συγκεκριμένα το ρεύμα βραχυκύκλωσης (Isc) και η τάση του συστήματος. Ρεύμα Τάση Συστήματος Η τάση του συστήματος ορίζεται σύμφωνα με το πρότυπο ΕΝ /12.7 ως η τάση ανοιχτοκύκλωσης του δομοστοιχείου πολλαπλασιασμένη με ένα συντελεστή 1,25. Σημειώνεται ωστόσο ότι εάν ο κατασκευαστής των δομοστοιχείων ορίζει διαφορετικό υπολογισμό της μέγιστης τάσης του συστήματος, συνήθως σύμφωνα με τον θερμοκρασιακό συντελεστή του δομοστοιχείου, τότε δύναται να χρησιμοποιηθεί αυτός ο υπολογισμός. Εν γένει, όμως, ο υπολογισμός της τάσης του συστήματος με τον συντελεστή 1,25 αποτελεί έναν ασφαλή τρόπο υπολογισμού. Επίσης, σύμφωνα με το πρότυπο ΕΝ 62446/5.3.2 ορίζεται το αναμενόμενο ρεύμα βραχυκύκλωσης του συστήματος ως το ρεύμα βραχυκύκλωσης του δομοστοιχείου πολλαπλασιαζόμενο με ένα συντελεστή 1,25. Σημειώνεται ότι σε περίπτωση που τα δομοστοιχεία συνδέονται σε σειρά, σχηματίζοντας μία στοιχειοσειρά η τάση ανοιχτοκύκλωσης είναι ίση με το άθροισμα των τάσεων των δομοστοιχείων που αποτελούν τη στοιχειοσειρά, ενώ το ρεύμα βραχυκύκλωσης της στοιχειοσειράς είναι ίσο με το ρεύμα βραχυκύκλωσης του ενός δομοστοιχείου της στοιχειοσειράς. Επίσης, σε περίπτωση παράλληλα συνδεδεμένων δομοστοιχείων ή στοιχειοσειρών, η τάση ανοιχτοκύκλωσης του συστήματος θα είναι ίση με την τάση ανοιχτοκύκλωσης του ενός δομοστοιχείου / μίας στοιχειοσειράς, ενώ το ρεύμα βραχυκύκλωσης του συστήματος θα είναι ίσο με το άθροισμα των ρευμάτων βραχυκύκλωσης όλων των παράλληλων δομοστοιχείων / στοιχειοσειρών στο σημείο της σύνδεσης. Ακολουθεί ενδεικτική εικόνα στην οποία παρουσιάζονται διαγραμματικά τα ανωτέρω. Σελίδα 16 of 113

17 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 3: Ρεύμα βραχυκύκλωσης και τάση ανοιχτοκύκλωσης στοιχειοσειράς και παράλληλα συνδεδεμένων στοιχειοσειρών Σελίδα 17 of 113

18 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Ακολουθούν αντίστοιχοι πίνακες για τον υπολογισμό του ρεύματος και της τάσης του συστήματος για τη διαστασιολόγηση του εξοπλισμού. Τάση ανοιχτοκύκλωσης (STC συνθήκες) (V) Τάση ανοιχτοκύκλωσης (μετά τις προσαρμογές) (V) Δομοστοιχείο Voc Voc * 1.25 ή Voc (όπως έχει προκύψει από τις οδηγίες του κατασκευαστή με βάση τον θερμοκρασιακό συντελεστή) N δομοστοιχεία συνδεδεμένα σε Ν * Voc Ν * Voc * 1.25 ή Ν * Voc σειρά Τάση συστήματος (για διαστασιολόγηση εξοπλισμού) Ν * V oc * 1.25 ή Ν * V oc Εικόνα 4: Υπολογισμός τάσης ανοιχτοκύκλωσης συστήματος Δομοστοιχείο / Στοιχειοσειρά N δομοστοιχεία / στοιχειοσειρές συνδεδεμένα / -ες παράλληλα Ρεύμα σχεδιασμού συστήματος (για διαστασιολόγηση εξοπλισμού) Ρεύμα βραχυκύκλωσης (STC συνθήκες) (Α) Ρεύμα βραχυκύκλωσης (μετά τις προσαρμογές) (Α) Isc Isc * 1.25 Ν * Isc Ν * Isc * 1.25 Ν * Isc * 1.25 Εικόνα 5: Υπολογισμός ρεύματος βραχυκύκλωσης συστήματος Σύμφωνα με τα ανωτέρω χαρακτηριστικά, δύναται να επιλεχθεί ο κατάλληλος αναστροφέας. Πιο συγκεκριμένα, το ρεύμα σχεδιασμού του συστήματος θα πρέπει να είναι μικρότερο από το μέγιστο ρεύμα DC που δύναται να εισέλθει στον αναστροφέα και η τάση σχεδιασμού του συστήματος θα πρέπει να είναι μικρότερη από την μέγιστη τάση συστήματος που αντέχει ο αναστροφέας. Τα χαρακτηριστικά αυτά παρέχονται στα αντίστοιχα φύλλα προδιαγραφών του αναστροφέα. Επιπλέον, Σελίδα 18 of 113

19 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ εκτός των προαναφερθέντων συστήνεται να εξεταστεί και το περιθώριο τάσης στο οποίο ο αναστροφέας ρυθμίζει και ελέγχει τη λειτουργία των δομοστοιχείων στο βέλτιστο σημείο τους για την παραγωγή της μέγιστης ισχύος. Η διαδικασία αυτή επιτελείται από τον αναστροφέα μέσω του αλγορίθμου MPPT(Maximum Power Point Tracking). Ωστόσο, για να είναι δυνατή η διεξαγωγή της συγκεκριμένης λειτουργίας θα πρέπει η τάση MPP της στοιχειοσειράς των δομοστοιχείων να βρίσκεται εντός των ορίων ρύθμισης MPP του αναστροφέα. Τα όρια εύρεσης και ρύθμισης MPP του αναστροφέα καθορίζονται από τους όρους Vmpp (min) και Vmpp (max). Εφόσον έχουν προσδιοριστεί οι θέσεις στις οποίες θα τοποθετηθεί ο βασικός εξοπλισμός, εν συνεχεία θα πρέπει να υπολογιστούν οι καλωδιώσεις που θα τοποθετηθούν. Ο προσδιορισμός των καλωδίων για τα κυκλώματα της χαμηλής τάσης πραγματοποιείται με το ευρωπαϊκό πρότυπο HD Σημαντικός παράγοντας για την επιλογή των καλωδίων αποτελούν η πτώση τάσης και το αναμενόμενο ρεύμα που δύναται να αντέξει ο αγωγός. Καλωδιώσεις Πτώση τάσης καλωδίων Η πτώση τάσης των καλωδίων που δύναται να εντοπιστεί στους αγωγούς του πάρκου ορίζεται από τον τύπο:, όπου: u: πτώση τάσης σε Volts. b: λαμβάνει τιμή 1 για τριφασικά κυκλώματα και τιμή 2 για μονοφασικά κυκλώματα. ρ1: η αντίσταση των αγωγών σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας, δηλαδή για θερμοκρασία 20 ο C πρέπει να χρησιμοποιηθεί συντελεστής προσαύξησης 1,25. Όσον αφορά σε αγωγούς χαλκού, η αντίσταση είναι ίση με 0,0225 Ωmm 2 /m και για τους αγωγούς αλουμινίου ισούται με 0,036 Ωmm 2 /m. L: το μήκος του καλωδίου (m). S: η διατομή του καλωδίου (mm 2 ). Cosφ: συντελεστής ισχύος. Λαμβάνεται ίσος με 0,8 όταν δεν υπάρχουν άλλα δεδομένα. λ: η αντίδραση ανά μονάδα μήκους των αγωγών, η οποία λαμβάνεται ίση με 0,08 mω/m εάν δεν υφίστανται αντίστοιχα δεδομένα. IB: το ρεύμα σχεδιασμού (Α) Σύμφωνα με το πρότυπο HD , επιτρέπεται πτώση τάσης 5%. Ωστόσο, η ενεργειακώς αποδεκτή πτώση τάσης στα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι ίση με 1%. Επιτρεπόμενη φόρτιση αγωγών Η επιτρεπόμενη φόρτιση των αγωγών σχετίζεται με τη διατομή των αγωγών, τη μόνωση του καλωδίου, τον αριθμό των φορτισμένων αγωγών εντός του καλωδίου και με το περιβάλλον όδευσής τους. Με βάση τη διατομή των αγωγών, τη μόνωση του καλωδίου και τον αριθμό των φορτισμένων αγωγών του καλωδίου καθορίζεται αρχικώς η επιτρεπόμενη φόρτιση του καλωδίου. Αναλόγως με Σελίδα 19 of 113

20 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού τον τρόπο όδευσης του καλωδίου (υπέργειο, υπόγειο, εντός σωλήνων, εντός εσχαρών) και αναλόγως με τη μέγιστη θερμοκρασία στην οποία μπορεί να βρεθεί ο αγωγός, καθώς επίσης και αναλόγως με τη γειτνίασή του με λοιπά κυκλώματα, ορίζονται κατάλληλοι συντελεστές οι οποίοι επιδρούν στην αρχικά καθορισμένη επιτρεπόμενη φόρτιση των αγωγών και καθορίζουν εν τέλει την ικανότητα φόρτισης του καλωδίου. Η διαδικασία αυτή και οι σχετικοί πίνακες παρουσιάζονται στο πρότυπο HD Εγκατάσταση καλωδίων Επιπλέον των ανωτέρω, δίδεται ιδιαίτερη σημασία στον τρόπο εγκατάστασης των καλωδιώσεων στο πάρκο. Οι καλωδιώσεις θα πρέπει να τοποθετούνται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μην υφίστανται μηχανικές καταπονήσεις και να μην βρίσκονται σε επαφή με πανίδα και χλωρίδα. Επίσης, θα πρέπει να επιλέγονται τα χαρακτηριστικά των καλωδίων που θα τοποθετηθούν, έτσι ώστε να αντέχουν στις περιβαλλοντικές συνθήκες στις οποίες θα εγκατασταθούν. Επιπροσθέτως, θα πρέπει να προσεχθεί ιδιαίτερα η εγγύτητα των καλωδίων που φέρουν ασθενές ρεύμα σε σχέση με τα καλώδια ισχυρού ρεύματος, καθώς για λόγους ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής θα πρέπει να έχουν απόσταση τουλάχιστον 20 cm, σύμφωνα με το πρότυπο HD Τα ανωτέρω προσδιορίζονται στο πρότυπου HD Επιπλέον, είναι ιδιαίτερα σημαντικό η καλωδίωση των δομοστοιχείων να πραγματοποιείται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να ελαχιστοποιούνται οι τάσεις που επάγονται από κεραυνό. Για το λόγο αυτό, η περιοχή όλων των βρόγχων καλωδίωσης θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο μικρή, σύμφωνα με το πρότυπο HD Ενδεικτικά παρουσιάζεται αντίστοιχη συνδεσμολογία των δομοστοιχείων κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μειώνεται η περιοχή των βρόγχων καλωδίωσης. Εικόνα 6: Ενδεικτικός τρόπος συνδεσμολογίας δομοστοιχείων προς ελαχιστοποίηση βρόγχων Σελίδα 20 of 113

21 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εν συνεχεία, εξετάζονται τα διακοπτικά μέσα της εγκατάστασης. Διακοπτικά Μέσα Για την προστασία των κυκλωμάτων του πάρκου χρησιμοποιούνται κατάλληλα διακοπτικά μέσα σε διάφορα σημεία της εγκατάστασης. Σύμφωνα με το πρότυπο HD , ορίζεται ότι ο εξοπλισμός που τοποθετείται στην DC πλευρά της εγκατάστασης θα πρέπει να είναι κατάλληλος για συνεχή τάση και συνεχές ρεύμα, όπως αυτά ορίστηκαν ανωτέρω ως ρεύμα και τάση του συστήματος. Η προστασία έναντι υπερέντασης στο κύκλωμα επιτυγχάνεται με τη χρήση κατάλληλων διακοπτικών μέσων, σε περίπτωση που η προστασία του δομοστοιχείου έναντι του αναμενόμενου ανάστροφου ρεύματος δεν επαρκεί. Η προστασία αυτή ορίζεται συνήθως από τους κατασκευαστές των δομοστοιχείων ως maximum series fuse rating. Πιο συγκεκριμένα, επιλέγεται κατάλληλο διακοπτικό μέσο ένταντι υπερέντασης σε περίπτωση που ισχύει: _ _, όπου: SA: αριθμός παράλληλων στοιχειοσειρών. Isc_MOD: ρεύμα βραχυκύκλωσης του δομοστοιχείου σε συνθήκες STC. ΙMOD_MAX_OCPR: ορίζεται από τον κατασκευαστή συχνά ως maximum series fuse rating. Επιπλέον, σύμφωνα με το πρότυπο HD θα πρέπει να παρέχεται ένα μέσο απομόνωσης στην DC πλευρά, έτσι ώστε να πραγματοποιούνται διαδικασίες συντήρησης του αναστροφέα. Στην AC πλευρά της εγκατάστασης, τα διακοπτικά μέσα θα πρέπει να διαστασιολογούνται επίσης σε συμφωνία με το ρεύμα σχεδιασμού της εγκατάστασης σε κάθε σημείο και με την τάση του συστήματος. Όσον αφορά στην προστασία έναντι των υπερεντάσεων, θα πρέπει να ακολουθηθούν οι διατάξεις του προτύπου HD , σύμφωνα το οποίο, η διαστασιολόγηση του εξοπλισμού θα πρέπει να συμφωνεί με τα κάτωθι όρια ((1), (2)): Όπου: (1) (2) 1.45 IB: ρεύμα σχεδιασμού. Ιn: ονομαστική τιμή του προστατευτικού υλικού. ΙΖ: η μέγιστη επιτρεπόμενη φόρτιση του αγωγού. Ι2: ρεύμα που διασφαλίζει αποτελεσματική λειτουργία του διακοπτικού υλικού, δηλαδή το ρεύμα στο οποίο ενεργοποιείται η θερμική προστασία του διακοπτικού υλικού. Σελίδα 21 of 113

22 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Ενδεικτικά αναφέρεται ότι δύναται να χρησιμοποιηθούν μικροαυτόματοι ή ασφάλειες τήξης για την προστασία του κυκλώματος έναντι των υπερεντάσεων και βραχυκυκλωμάτων. Όσον αφορά στους μικροαυτόματους, επισημαίνεται ότι θα πρέπει να ορίζεται η χαρακτηριστική λειτουργίας του, καθώς μέσω αυτών προσδιορίζεται η συμπεριφορά του διακοπτικού μέσου σε βραχυκύκλωμα και σε υπερένταση. Όσον αφορά στο τμήμα της Μέσης Τάσης και δει στον Πίνακα Μέσης Τάσης του Υποσταθμού, αυτός θα αναλυθεί σε επόμενη ενότητα. Ασθενή Ρεύματα Το τμήμα των ασθενών ρευμάτων σε ένα φωτοβολταϊκό πάρκο σχετίζεται με τη μεταφορά σημάτων. Πιο συγκεκριμένα, η μεταφορά σημάτων εντοπίζεται στο τμήμα της τηλεμετρίας του πάρκου, καθώς επίσης και των συστημάτων ασφαλείας του πάρκου. Σε ιδιαίτερες περιπτώσεις είναι δυνατή η μεταφορά σημάτων από το διακοπτικό υλικό, μέσω των οποίων δίνεται η δυνατότητα επιτήρησης της κατάστασης λειτουργίας τους και ακόμη και ο απομακρυσμένος έλεγχός τους. Ωστόσο, οι περιπτώσεις αυτές συναντώνται κυρίως σε περιοχές που χαρακτηρίζονται από υψηλό κίνδυνο πρόκλησης πυρκαγιάς και συνιστούν μέσο πυρόσβεσης. Τα καλώδια ασθενών ρευμάτων που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι καλώδια μεταφοράς σήματος, στα οποία οι απώλειες του σήματος είναι αρκετά μειωμένες. Όσον αφορά στα τεχνικά τους χαρακτηριστικά, στην αγορά συναντώνται διάφοροι τύποι, οι οποίοι διαχωρίζονται με βάση λειτουργικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ο διαχωρισμός αυτός μπορεί να έγκειται στη συχνότητα μετάδοσης των σημάτων, καθώς και στην κατασκευή τους, επομένως στην αντοχή τους σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και σε εξωτερικές συνθήκες περιβάλλοντος. Συνήθως, ο κατασκευαστής των αναστροφέων παρέχει οδηγίες για τον τύπο του καλωδίου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την διασύνδεση του φωτοβολταϊκού συστήματος με σύστημα τηλεμετρίας. Ενδεικτικοί τύποι καλωδίων ασθενών σημάτων είναι τα καλώδια τύπου FTP και καλώδια τύπου LiYCY. Γείωση Δομοστοιχείων Όσον αφορά στη γείωση των δομοστοιχείων της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης, σχετικές επισημάνσεις εντοπίζονται στο πρότυπο EN και στο πρότυπο HD Η εγκατάσταση θα πρέπει να συνδέεται ισοδυναμικά με το σύστημα της γείωσης και επιπλέον ορίζεται ότι τα πλαίσια των δομοστοιχείων θα πρέπει να συνδέονται ισοδυναμικά με το σύστημα γείωσης. Η γείωση του πλαισίου δύναται να επιτυγχάνεται είτε με κατάλληλα clamps ή με κατάλληλη ένωση αγωγού με κοχλία στα σημεία που υποδεικνύονται κατάλληλα πάνω στο πλαίσιο των δομοστοιχείων από τον κατασκευαστή. Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας Το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ορίζεται με βάση τη σειρά προτύπων EN και αποτελείται από: Σελίδα 22 of 113

23 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Το Συλλεκτήριο σύστημα, το οποίο δέχεται το κεραυνικό πλήγμα. Το Σύστημα αγωγών καθόδου, το οποίο εξασφαλίζει την όδευση του ρεύματος από το συλλεκτήριο σύστημα στο έδαφος. Το σύστημα γείωσης, το οποίο διαχέει το ρεύμα στο έδαφος. Ισοδυναμική αντικεραυνική σύνδεση των συστημάτων. Ηλεκτρική μόνωση (και κατ επέκταση απόσταση διαχωρισμού) απέναντι στο εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Η ζώνη προστασίας του συλλεκτήριου συστήματος καθορίζεται είτε με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρας, είτε με τη μέθοδο της γωνίας προστασίας είτε με τη μέθοδο πλεγμάτων αγωγών. Συνήθως, χρησιμοποιείται η μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας. Η μέθοδος αυτή ορίζει ότι ένα σημείο είναι επαρκώς προστατευμένο από άμεσο κεραυνικό πλήγμα εάν δεν έρχεται σε επαφή από μία σφαίρα ακτίνας r, η οποία κυλίεται στο έδαφος. Επομένως, η σφαίρα θα είναι σε επαφή μόνο με το έδαφος και το συλλεκτήριο σύστημα. Η ακτίνα της σφαίρας καθορίζεται από το επίπεδο ΣΑΠ του πάρκου και αναφέρεται στο πρότυπο EN Πιο συγκεκριμένα, η ακτίνα προστασίας ορίζεται με βάση τον ακόλουθο πίνακα: Στάθμη προστασίας Μέγιστες τιμές ακτίνας κυλιόμενης σφαίρας Ι 20 ΙΙ 30 ΙΙΙ 45 IV 60 Πίνακας 1: Μέγιστες τιμές ακτίνας κυλιόμενης σφαίρας αναλόγως τη Στάθμη Προστασίας (EN ) Σελίδα 23 of 113

24 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Ενδεικτικά παρουσιάζεται ακολούθως η ζώνη προστασίας για μία ράβδο ύψους 10 m και τη ζώνη προστασίας τεσσάρων ράβδων ύψους 10 m για Στάθμη Προστασίας Ι. Σημειώνεται ότι η ζώνη προστασίας ορίζεται από το διαγραμμισμένο τμήμα της εικόνας. Εικόνα 7: Ζώνη προστασίας μίας ράβδου ύψους 10 m με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρας (ΣΑΠ Ι) (Βασιλειάδης Ι., Τρισδιάστατη απεικόνιση προστατευόμενων επιφανειών κατασκευών έναντι άμεσων κεραυνικών πληγμάτων με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρα,)σ Εικόνα 8: Ζώνη προστασίας τεσσάρων ράβδων ύψους 10 m με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρας (ΣΑΠ Ι) (Βασιλειάδης Ι., Τρισδιάστατη απεικόνιση προστατευόμενων επιφανειών κατασκευών έναντι άμεσων κεραυνικών πληγμάτων με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρα,) Με βάση τα παραπάνω, η διεξαγωγή της μελέτης αντικεραυνικής προστασίας έχει ως στόχο την ένταξη της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης εντός της ζώνης προστασίας. Το σύστημα γείωσης στοχεύει στη διάχυση του ρεύματος στο έδαφος και υλοποιείται σύμφωνα με τις διατάξεις του προτύπου ΕΝ Το πρότυπο ορίζει τις ελάχιστες διατομές που θα πρέπει να έχουν οι αγωγοί γείωσης, αναλόγως του υλικού και της κατασκευής τους. Επίσης, παρουσιάζονται βασικές διατάξεις γείωσης και καθορίζεται ως μέγιστη τιμή γείωσης των εγκαταστάσεων χαμηλής τάσης ίση με 10 Ω. Αναφορικά με τις διατάξεις γείωσης συστήνεται η δημιουργία πλέγματος μέγιστων διαστάσεων 20 m x 20 m περιμετρικά της εγκατάστασης. Επιπροσθέτως, συνίσταται ο αγωγός γείωσης να βρίσκεται σε βάθος τουλάχιστον 0,5 m από το έδαφος, ώστε να επιτυγχάνεται μικρότερη αντίσταση γείωσης. Επιπλέον, θα πρέπει να δοθεί προσοχή ώστε το υλικό του συλλεκτήριου συστήματος να είναι ηλεκτροχημικά συμβατό με το υλικό των στοιχείων σύνδεσης και να διαθέτει ικανοποιητική αντίσταση στη διάβρωση σε διαβρωτικό περιβάλλον και στην υγρασία. Συνδέσεις μεταξύ διαφορετικών υλικών θα πρέπει να αποφεύγονται, διαφορετικά θα πρέπει να προστατεύονται επαρκώς. Ιδιαίτερα σημαντικό είναι το θέμα της γαλβανικής διάβρωσης που δύναται να εντοπιστεί σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, στην περίπτωση που η τοποθέτηση του συστήματος στήριξης έχει Σελίδα 24 of 113

25 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ πραγματοποιηθεί με τη μέθοδο της μπετόπηξης. Πιο συγκεκριμένα, σύμφωνα με το πρότυπο, σε περίπτωση που χαλύβδινες κατασκευές βρίσκονται εντός σκυροδέματος και εισέρχονται εντός του εδάφους, τότε αυτές δύναται να λειτουργήσουν ως φυσικά ηλεκτρόδια γείωσης. Ωστόσο, παρουσιάζουν συμπεριφορά αντίστοιχη του χαλκού. Για το λόγο αυτό, θα πρέπει τα λοιπά υλικά που θα χρησιμοποιηθούν στο σύστημα γείωσης να είναι συμβατά με χαλκό και να μην τοποθετηθεί χαλύβδινος αγωγός, διότι αυτό θα προκαλέσει φαινόμενα γαλβανικής διάβρωσης. Οι απαγωγείς υπερτάσεων κατατάσσονται σε 3 κλάσεις, με βάση το επίπεδο προστασίας που παρέχουν και τα τεχνικά χαρακτηριστικά που διαθέτουν. Κλάση Ι Οι απαγωγείς υπερτάσεων Κλάσης Ι συνήθως τοποθετούνται σε σημεία υψηλής έκθεσης σε κεραυνικό πλήγμα. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι τοποθετούνται στην είσοδο των γραμμών στο κτήριο που προστατεύεται (στον Γενικό Πίνακα). Κλάση ΙΙ Οι απαγωγείς υπερτάσεων της κλάσης αυτής χρησιμοποιούνται ως μέσα προστασίας από έμμεσα πλήγματα κεραυνού ή από χειρισμούς. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι απαγωγείς υπερτάσεων Κλάσης ΙΙ τοποθετούνται στην είσοδο των γραμμών στο κτήριο που προστατεύεται (στον Γενικό Πίνακα, σε συνδυασμό με απαγωγούς υπερτάσεων Κλάσης Ι), καθώς και σε σημεία λιγότερο εκτεθειμένα από τα σημεία στα οποία τοποθετείται ο απαγωγός υπερτάσεων Κλάσης Ι. Κλάση ΙΙΙ Οι απαγωγείς υπερτάσεων Κλάσης ΙΙΙ τοποθετούνται σε σημεία στα οποία υφίσταται μειωμένη απαίτηση προστασίας έναντι υπερτάσεων λόγω χειρισμών. Ενδεικτικά αναφέρεται η τοποθέτησή τους για την προστασία συσκευών εντός της κατασκευής. Χώρος Μέσης Τάσης - Υποσταθμός Ο Χώρος της Μέσης Τάσης αποτελείται από τον Πίνακα Μέσης Τάσης. Στον πίνακα αυτό υπάρχουν κατάλληλες διατάξεις για την προστασία και τον έλεγχο των κυκλωμάτων. Ο πίνακας διακρίνεται σε 3 κυψέλες: στην κυψέλη της αναχώρησης των καλωδίων προς το σημείο σύνδεσης με το Δίκτυο, στην κυψέλη της μέτρησης και στην κυψέλη της άφιξης των καλωδίων από τον μετασχηματιστή του Υποσταθμού. Η κυψέλη αναχώρησης των καλωδίων αποτελείται από διατάξεις απομόνωσης και προστασίας σε βραχυκυκλώματα και δύναται να αποτελείται από διακόπτη ισχύος ή από διακόπτη φορτίου και ασφάλεια εκτόνωσης. Επιπλέον, αποτελείται από απαγωγούς υπερτάσεως, οι οποίοι μειώνουν τις υπερτάσεις σε ανεκτά για τον εξοπλισμό επίπεδα. Εν συνεχεία, η κυψέλη μέτρησης αποτελείται από κατάλληλες μετρητικές διατάξεις (Μετασχηματιστές τάσης και έντασης και ασφάλειες για την προστασία τους έναντι βραχυκυκλωμάτων), με βάση τις οποίες επιτελούνται μετρήσεις του δικτύου. Οι μετρήσεις καταλήγουν στον Ηλεκτρονόμο του Πίνακα Μέσης Τάσης, ο οποίος επιτηρεί την παραγωγή του πάρκου και το δίκτυο και προβαίνει σε κατάλληλες διακοπές τροφοδότησης όταν τα όρια που έχουν τεθεί (τάση, συχνότητα) υπερβούν ένα συγκεκριμένο επίπεδο που καθορίζεται από το διαχειριστή του δικτύου. Η κυψέλη άφιξης των καλωδίων από το μετασχηματιστή του Σελίδα 25 of 113

26 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Υποσταθμού αποτελείται συνήθως από ένα διακόπτη ισχύος, ο οποίος λαμβάνει αντίστοιχες εντολές λειτουργίας από τον ηλεκτρονόμο του Πίνακα. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται και αποζεύκτες και γειωτές, οι οποίοι είναι μανδαλωμένοι μηχανικά με τους αντίστοιχους διακόπτες φορτίου ή ισχύος που ανήκουν. Όσον αφορά στη διαστασιολόγηση του διακοπτικού υλικού στον Πίνακα Μέσης Τάσης, αυτός βασίζεται στην ισχύ βραχυκύκλωσης του δικτύου, η οποία παρέχεται από το διαχειριστή του δικτύου. Με βάση την ισχύ βραχυκύκλωσης καθορίζεται το ρεύμα βραχυκύκλωσης, λαμβάνοντας υπόψη ως τάση του δικτύου την Μέση Τάση, σύμφωνα με το οποίο διαστασιολογείται το διακοπτικό υλικό. Σημειώνεται ότι εν γένει στην επαρχία η ισχύς βραχυκύκλωσης ορίζεται ίση με 250 MVA, ενώ στον αστικό κλοιό είναι ίση με 500 MVA. Ωστόσο, σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να παρέχεται ενημέρωση από τον Διαχειριστή του Δικτύου προς αποφυγή λαθών. Σελίδα 26 of 113

27 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Μελέτη Περίπτωσης Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστεί μία περίπτωση κατασκευής ενός φωτοβολταϊκού πάρκου ισχύος 500 kw στην περιοχή της Θήβας με σταθερό σύστημα στήριξης σε γήπεδο. Ενεργειακή Μελέτη Μελέτη Χωροθέτησης Διενεργήθηκαν συγκριτικές μελέτες κόστους ωφέλειας για τον εξοπλισμό που θα τοποθετηθεί και την ενεργειακή απόδοση του πάρκου. Όσον αφορά στην ενεργειακή απόδοση του, λήφθηκε υπόψη το ηλιακό δυναμικό της περιοχής, όπως προέκυψε από τους αντίστοιχους χάρτες δυναμικού από το Ελληνικό Δίκτυο Ηλιακής Ενέργειας. Η μέση ετήσια ολική ακτινοβολία (σε kwh / m 2 ) για την περιοχή της Θήβας παρουσιάζεται στην εικόνα που ακολουθεί: Εικόνα 9: Ηλιακό Δυναμικό μέσης ετήσιας ολικής ακτινοβολίας (kwh / m 2 ) για την περιοχή της Θήβας (Ελληνικό Δίκτυο Ηλιακής Ενέργειας) Με βάση την παραπάνω εικόνα, παρατηρείται ότι η περιοχή της Θήβας παρουσιάζει μέση ετήσια ολική ακτινοβολία περίπου 1600 kwh/m 2. Λαμβάνοντας αυτό υπόψη και σε συνδυασμό με τον βαθμό απόδοσης του πάρκου προκύπτει η μέση ετήσια ενεργειακή παραγωγή του πάρκου. Για τον Σελίδα 27 of 113

28 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού προσδιορισμό της ενεργειακής παραγωγής του πάρκου με μεγαλύτερη ακρίβεια, συστήνεται να κατάλληλα χρησιμοποιηθούν συστήματα προσομοίωσης, επί παραδείγματι το PVSYST. Διαστασιολόγηση Υλικού Με βάση την ενεργειακή μελέτη και μελέτη χωροθέτησης του πάρκου, προέκυψε ο ακόλουθος βασικός εξοπλισμός του πάρκου: Δομοστοιχεία Ισχύς (Wp) 250 Τάση Mppt (V) 29,4 Ρεύμα Mppt (A) 8,39 Τάση Ανοιχτοκύκλωσης (Voc) (V) 37,6 Ρεύμα βραχυκύκλωσης (Isc) (A) 8,92 Συντελεστής Απόδοσης (%) 15,4 Τύπος Πολυκρυσταλλικό Si Max. Series fuse rating (A) 15 Πίνακας 2: Χαρακτηριστικά δομοστοιχείων για case study Αναστροφέας DC Μέγιστη Ισχύς (Wp) Εύρος Mppt (V) Μέγιστο Ρεύμα Εισόδου (A) 45 Μέγιστη Τάση Συστήματος (V) AC Μέγιστο ρεύμα εξόδου (Α) 3 x 29 Τάση Εξόδου (V) 400 Λοιπά χαρακτηριστικά Συντελεστής Απόδοσης (max efficiency) (%) 98,2 Τύπος Τριφασικός / Χωρίς γαλβανική απομόνωση Σελίδα 28 of 113

29 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Διακόπτης απομόνωσης DC Ναι Πίνακας 3: Χαρακτηριστικά αναστροφέων για case study Σελίδα 29 of 113

30 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Στοιχεία Φωτοβολταϊκού Πάρκου Ισχύς Πάρκου: 496 Αριθμός δομοστοιχείων: 1984 Αριθμός αναστροφέων: 25 Αρχιτεκτονική πάρκου 4 αναστροφείς (Α Τύπος) αποτελούμενοι (έκαστος ) από: 21 αναστροφείς (Β Τύπος) αποτελούμενοι (έκαστος) από: 4 στοιχειοσειρές των 19 δομοστοιχείων 4 στοιχειοσειρές των 20 δομοστοιχείων Πίνακας 4: Αρχιτεκτονική Φ/Β Πάρκου Case Study Ως προς τη διαστασιολόγηση του συστήματος, ισχύει ο κάτωθι πίνακας επαλήθευσης: Α Τύπος Αναστροφέας Β Τύπος Αναστροφέας Περιορισμός Επιβεβαίωση Μέγιστη τάση Αναστροφέα (V) Μέγιστο ρεύμα εισόδου (A) 37,6 * 1,25 * 19 = ,6 * 1,25 * 20 = 940 8,92 * 1,25 * 4 = 44,6 8,92 * 1,25 * 4 = 44, ΟΚ 45 ΟΚ Τάση MPPT (V) 29,4 * 19 = 558,6 29,4 * 20 = OK Πίνακας 5: Πίνακας διαστασιολόγησης case study Επισημαίνεται ότι με βάση την ισχύ του πάρκου (496 kw), η εγκατάσταση θα πρέπει να συνδεθεί στο δίκτυο της Μέσης Τάσης, επομένως στο πάρκο θα εγκατασταθεί Υποσταθμός Μέσης Τάσης. Ακολούθως παρουσιάζονται σχετικές φωτογραφίες της εγκατάστασης. Σελίδα 30 of 113

31 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 10: Φωτοβολταϊκή Εγκατάσταση - Case Study Καλωδιώσεις Φ/Β πάρκου Όσον αφορά στις καλωδιώσεις, η μέγιστη απόσταση των καλωδίων DC που μετρήθηκε ήταν ίση με 87 m. Σύμφωνα με τα στοιχεία που παρουσιάστηκαν ανωτέρω, δεδομένου ότι χρησιμοποιούνται καλώδια χαλκού, θα χρησιμοποιηθούν καλώδια διατομής 6 mm 2 για αποστάσεις μέχρι 70 m, ενώ θα χρησιμοποιηθούν καλώδια διατομής 10 mm 2 για τις αποστάσεις που είναι μεγαλύτερες των 70 m, ώστε να επιτυγχάνεται πτώση τάσης κατά μέγιστον ίση με 1%. Στην AC πλευρά του πάρκου, οι αναστροφείς οργανώνονται σε ομάδες των 4 ή 5 σε έναν πίνακα χαμηλής τάσης, ο οποίος απέχει περίπου 5 m από τους αντίστοιχους αναστροφείς. Πιο συγκεκριμένα, στο πάρκο υφίστανται 5 Πίνακες Χαμηλής Τάσης που αποτελούνται από 4 αναστροφείς έκαστος και 1 Πίνακας Χαμηλής Τάσης, ο οποίος αποτελείται από 5 αναστροφείς. Τα καλώδια από τους αναστροφείς μέχρι τον Πίνακα Χαμηλής Τάσης οδεύουν εντός εσχαρών (τρόπος όδευσης C) και οι αγωγοί είναι από χαλκό. Επίσης, τα καλώδια έχουν μόνωση PVC και οι φορτισμένοι αγωγοί εντός του καλωδίου είναι τρεις (δεδομένου ότι το καλώδιο είναι πολύκλωνο και το κύκλωμα είναι τριφασικό). Σύμφωνα με το πρότυπο HD , η αρχικά επιτρεπόμενη φόρτιση αγωγού διατομής 10 mm 2 είναι ίση με 57 Α. Η μέγιστη θερμοκρασία που δύναται να λειτουργήσουν οι αγωγοί στην περιοχή αυτή, όπως έχει καταγραφεί σύμφωνα με την Τεχνική Οδηγία του Τ.Ε.Ε. (ΤΟΤΕΕ ) είναι 45 ο C. Σημειώνεται ότι δεν εντοπίστηκε για την περιοχή της Θήβας σχετική θερμοκρασία και για το λόγο αυτό θεωρήθηκε η μέγιστη θερμοκρασία που έχει καταγραφεί στην Αθήνα, ως την κοντινότερη περιοχή. Δεδομένης της μέγιστης θερμοκρασίας, ο συντελεστής θερμοκρασίας προκύπτει ίσος με 0,79. Επίσης, δεν υφίσταται συντελεστής γειτνίασης, καθώς εντός της εσχάρας οδεύει μόνο ένα κύκλωμα (το καλώδιο του αναστροφέα). Επομένως, η μέγιστη επιτρεπτή φόρτιση του καλωδίου είναι 45,03 Α και με βάση το ρεύμα εξόδου (AC) του αναστροφέα και τον περιορισμό για πτώση τάσης ίση με 1%, το καλώδιο αυτό θεωρείται επαρκές. Σελίδα 31 of 113

32 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Εν συνεχεία, με την ίδια λογική αλλά μεταβάλλοντας τις παραμέτρους της όδευσης προκύπτουν οι λοιποί αγωγοί του πάρκου. Πιο συγκεκριμένα, τα καλώδια που οδεύουν από 5 Πίνακες προς το Γενικό Πίνακα Χαμηλής Τάσης του Υποσταθμού είναι διατομής 95 mm 2 και πιο συγκεκριμένα είναι 3x95 mm (τα καλώδια των φάσεων είναι διατομής 95 mm 2, ενώ τα καλώδια του ουδετέρου και της γείωσης είναι διατομής 50 mm 2 ) ενώ τα καλώδια που οδεύουν από τον ένα Πίνακα μέχρι το Γενικό Πίνακα Χαμηλής Τάσης του Υποσταθμού είναι διατομής 120 mm 2 και πιο συγκεκριμένα είναι 3x120 mm (τα καλώδια των φάσεων είναι διατομής 120 mm 2, ενώ τα καλώδια του ουδετέρου και της γείωσης είναι διατομής 70 mm 2 ). Η διαφοροποίηση αυτή έγκειται στο γεγονός ότι ο πίνακας αυτός αποτελείται από 5 αναστροφείς, ενώ οι λοιποί πίνακες αποτελούνται από 4 αναστροφείς. Επομένως, το ρεύμα εξόδου που προκύπτει από τον πίνακα αυτό είναι μεγαλύτερο σε σχέση με των υπολοίπων. Επιπλέον, τα καλώδια αυτά οδεύουν υπογείως εντός σωλήνων κατάλληλης διατομής. Στον Υποσταθμό Μέσης Τάσης, τα καλώδια εισέρχονται στον Γενικό Πίνακα Χαμηλής Τάσης. Το καλώδιο που οδεύει από το Γενικό Πίνακα Χαμηλής Τάσης προς το Μετασχηματιστή του Υποσταθμού οδεύει εντός εσχαρών και γειτνιάζει με 3 κυκλώματα (λόγω του μεγάλου ρεύματος που δύναται να διέλθει από κάθε φάση, διαχωρίζεται η κάθε φάση σε 3 παράλληλα κυκλώματα) και αποτελείται από χάλκινους αγωγούς μόνωσης XLPE. Το καλώδιο αυτό θα είναι διατομής 3x240 mm 2 (για κάθε φάση), ενώ η γείωση και ο ουδέτερος θα αποτελούνται από καλώδιο διατομής 120 mm 2. Ασθενή Ρεύματα Η επιτήρηση του πάρκου θα πραγματοποιηθεί με κατάλληλο σύστημα τηλεμέτρησης, ενώ η ασφάλεια του πάρκου θα πραγματοποιηθεί με κατάλληλο εξοπλισμό ασφαλείας. Το σύστημα τηλεμέτρησης που θα χρησιμοποιηθεί θα λαμβάνει ενδείξεις από τους αναστροφείς και από τον μετεωρολογικό σταθμό που θα εγκατασταθεί στο πάρκο, παρέχοντας επιτήρηση της ενεργειακής παραγωγής του πάρκου σε πραγματικό χρόνο απομακρυσμένα. Ο μετεωρολογικός σταθμός που θα τοποθετηθεί θα αποτελείται από ένα ανεμοδείκτη ανεμόμετρο για την καταγραφή της ταχύτητας και της διεύθυνσης του ανέμου, από ένα πυρανόμετρο για την καταγραφή της ηλιακής ακτινοβολίας και από δύο αισθητήρες θερμοκρασίας, όπου ο ένας θα καταγράφει την θερμοκρασία των δομοστοιχείων και ο άλλος θα καταγράφει την θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Σημειώνεται ότι το πυρανόμετρο θα τοποθετηθεί με την ίδια κλίση και τον ίδιο προσανατολισμό με τα δομοστοιχεία του πάρκου. Τα όργανα αυτά, καθώς επίσης και οι αναστροφείς θα μεταφέρουν τα σήματα μέσω καλωδίων τύπου FTP, το οποίο θα καταλήγει στο κατάλληλο όργανο τηλεμέτρησης του συστήματος. Όσον αφορά στα συστήματα ασφαλείας, θα τοποθετηθεί περιμετρικά του πάρκου σύστημα συναγερμού και κλειστού κυκλώματος τηλεόρασης (CCTV). Αρχικώς, περιμετρικά της εγκατάστασης θα τοποθετηθούν χαλύβδινοι ιστοί σε απόσταση ανάλογη με τον εξοπλισμό που θα χρησιμοποιηθεί. Πάνω στους ιστούς αυτούς θα τοποθετηθούν τα συστήματα συναγερμού και CCTV. Το σύστημα συναγερμού θα αποτελείται από ανιχνευτές υπερύθρων, οι οποίοι θα φέρουν ανάλογα χαρακτηριστικά ώστε να είναι κατάλληλα για τα σημεία που θα τοποθετηθούν. Επισημαίνεται ότι οι γειτονικοί ανιχνευτές θα πρέπει να είναι σε τέτοια απόσταση ώστε οι δέσμες υπερύθρων να δύναται να καλύψουν τη μεταξύ τους απόσταση και επιπλέον θα πρέπει να μην διακόπτονται από αντικείμενα που δύναται να υπάρχουν στο χώρο. Το σύστημα CCTV θα αποτελείται από κάμερες, οι οποίες θα Σελίδα 32 of 113

33 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ τοποθετηθούν στην κορυφή των ιστών και θα πρέπει να καλύπτουν ικανή απόσταση, ώστε να μην δημιουργούνται νεκρές ζώνες, δηλαδή περιοχές οι οποίες δεν εντοπίζονται από κάποια κάμερα. Οι ανιχνευτές υπερύθρων θα συνδέονται με καλώδιο τύπου LiYCY με τον πίνακα συναγερμού, ο οποίος θα βρίσκεται εντός του Υποσταθμού. Οι κάμερες θα συνδέονται με καλώδιο τύπου FTP με το DVR το οποίο θα βρίσκεται εντός του Υποσταθμού για τη μετάδοση της εικόνας και με καλωδιο παροχής ρεύματος (ενδεικτικά αναφέρεται καλώδιο 3x2,5 mm 2 με μόνωση PVC) για την τροφοδοσία τους. Ακολουθεί σχετική ενδεικτική εικόνα του συστήματος ασφαλείας. Εικόνα 11: Ενδεικτική εικόνα του συστήματος ασφαλείας του πάρκου Διακοπτικά Μέσα Σημειώνεται ότι το δομοστοιχείο της εγκατάστασης διαθέτει maximum series fuse rating ίση με 15 Α. Δεδομένου ότι συνδέονται 4 στοιχειοσειρές παράλληλα σε κάθε αναστροφέα, προκύπτει το συμπέρασμα ότι απαιτείται κατάλληλο διακοπτικό υλικό προστασίας. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι το υλικό αυτό δύναται να είναι ασφάλεια gpv, η οποία θα τοποθετηθεί σε κάθε κλάδο κάθε στοιχειοσειράς και θα έχει ονομαστική τιμή ρεύματος ίση με 12 Α και τάση αντίστοιχη της τάσης συστήματος. Επισημαίνεται ότι οι αναστροφείς της συγκεκριμένης εγκατάστασης φέρουν διακόπτη απομόνωσης. Στην AC πλευρά της εγκατάστασης, στο σημείο σύνδεσης του αναστροφέα με τον Πίνακα χρησιμοποιείται τετραπολικός μικροαυτόματος ονομαστικής τιμής ρεύματος 40 Α και τάσης 400 V και χαρακτηριστικής καμπύλης C. Η επιλογή αυτή βασίστηκε στο μέγιστο ρεύμα εξόδου του αναστροφέα, το οποίο είναι ίσο με 29 Α, καθώς επίσης και στην μέγιστη επιτρεπόμενη φόρτιση του καλωδίου η οποία είναι ίση με 45 Α. Με τον ίδιο τρόπο επιλέχθηκε ο γενικός αυτόματος διακόπτης σε κάθε Πίνακα, καθώς επίσης και το διακοπτικό υλικό που θα τοποθετηθεί εντός του Πίνακα Χαμηλής Τάσης του Υποσταθμού. Σελίδα 33 of 113

34 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Σημειώνεται ότι για τα συστήματα ασφαλείας (συναγερμού και CCTV) θα κατασκευαστεί ξεχωριστός πίνακας Καταναλώσεων εντός του Υποσταθμού, ο οποίος θα τροφοδοτείται από τον Γενικό Πίνακα Χαμηλής Τάσης του Υποσταθμού και θα φέρει το διακοπτικό υλικό για την προστασία των συστημάτων CCTV και συναγερμού. Σύστημα γείωσης Στην εν λόγω εγκατάσταση, δεδομένου ότι χρησιμοποιείται η τεχνική της πασσαλόπηξης, χρησιμοποιείται περιμετρικός χαλύβδινος αγωγός, θερμά επιψευδαργυρωμένος (St/tZn) ως βασικό υλικό του συστήματος γείωσης. Για την επίτευξη ικανοποιητικής αντίστασης γείωσης κατασκευάζονται πλέγματα διαστάσεων 20 m x 20 m. Επιπλέον, οι χαλύβδινοι στήλοι που τοποθετούνται περιμετρικά του γηπέδου και φέρουν τον απαραίτητο εξοπλισμό για τις διατάξεις συναγερμού και CCTV του γηπέδου γειώνονται με αντίστοιχο αγωγό ισοδυναμικά στο σύστημα γείωσης, καθώς επίσης και όλες οι τράπεζες της εγκατάστασης που φέρουν δομοστοιχεία. Σημειώνεται ότι μετά από υπόδειξη της μελέτης επικινδυνότητας για τη συγκεκριμένη εγκατάσταση προέκυψε απαίτηση για τοποθέτηση συλλεκτήριου συστήματος που αποτελείται από ακίδες αντικεραυνικής προστασίας, οι οποίες στερεώνονται στο σύστημα στήριξης των φωτοβολταϊκών πλαισίων και απέχουν 0,8 m πάνω από την κάθε τράπεζα. Επίσης, τοποθετήθηκαν σε απόσταση 12 m η μία από την άλλη και πραγματοποιήθηκε σύνδεση του αντίστοιχου πασσάλου της τράπεζας στο οποίο τοποθετήθηκε ακίδα με το σύστημα γείωσης. Ακολουθεί σχετική εικόνα που παρουσιάζει ακίδα επί του συστήματος στήριξης των δομοστοιχείων. Εικόνα 12: Ακίδες επί του συστήματος στήριξης της εγκατάστασης Case Study Επιπλέον, τοποθετήθηκαν απαγωγοί υπερτάσεων σε διάφορα σημεία της εγκατάστασης και πιο συγκεκριμένα Κλάσης ΙΙ στους Πίνακες AC της εγκατάστασης και στην DC πλευρά της Σελίδα 34 of 113

35 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ εγκατάστασης (προ του αναστροφέα), καθώς επίσης και απαγωγοί υπερτάσεων Κλάσης Ι και ΙΙ στον Γενικό Πίνακα Χαμηλής Τάσης. Μέση Τάση Για τον Πίνακα της Μέσης Τάσης της εγκατάστασης, παρατίθεται το σχετικό ενδεικτικό μονογραμμικό σχέδιο. Εικόνα 13: Ενδεικτικό μονογραμμικό πίνακα Μέσης Τάσης Σελίδα 35 of 113

36 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Επιθεώρηση ΕΝ Η επιθεώρηση ενός φωτοβολταϊκού πάρκου στηρίζεται στο πρότυπο EN Σύμφωνα με το πρότυπο αυτό, καθορίζονται οι ελάχιστες απαιτήσεις των εγγράφων τεκμηρίωσης και των δοκιμών που θα πρέπει να διεξάγονται κατά τη διαδικασία της επιθεώρησης. Έγγραφα Τεκμηρίωσης Αρχικά, παρουσιάζονται οι απαιτήσεις στα έγγραφα τεκμηρίωσης που θα πρέπει να καλύπτουν οι φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις. Τα έγγραφα τεκμηρίωσης θα πρέπει να παρουσιάζουν με ακρίβεια τα βασικά χαρακτηριστικά της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης και πιο συγκεκριμένα την ισχύ του πάρκου, η μάρκα και ο τύπος των δομοστοιχείων και των αναστροφέων που έχουν τοποθετηθεί, η ημερομηνία εγκατάστασης και παράδοσης στον πελάτη, η τοποθεσία εγκατάστασης και το όνομα του ιδιοκτήτη. Επιπροσθέτως, θα πρέπει να αναγράφεται το όνομα του σχεδιαστή του συστήματος, καθώς και λεπτομέρειες επικοινωνίας με αυτόν. Αντιστοίχως, θα πρέπει να παρέχονται πληροφορίες σχετικές με τον εγκαταστάτη του φωτοβολταϊκού συστήματος. Κάθε φωτοβολταϊκή εγκατάσταση θα πρέπει να διαθέτει μονογραμμικό διάγραμμα, το οποίο να παρέχεται στον επιθεωρητή της εγκατάστασης και στο οποίο θα αναγράφεται κατ ελάχιστον ο τύπος των δομοστοιχείων και των αναστροφέων, ο συνολικός αριθμός των δομοστοιχείων, ο αριθμός των στοιχειοσειρών και ο αριθμός των δομοστοιχείων ανά στοιχειοσειρά. Ακόμη, θα πρέπει να παρέχονται στοιχεία σχετικά με τις καλωδιώσεις του κυκλώματος (τύπος καλωδίου και διατομή) και σχετικά με τις προστατευτικές διατάξεις που έχουν χρησιμοποιηθεί (τύπος διακοπτικού υλικού και βασικά χαρακτηριστικά του). Επιπροσθέτως, θα πρέπει να παρέχονται λεπτομέρειες σχετικές με τις θέσεις των κυτίων διακλάδωσης, εάν αυτά υφίστανται στην εγκατάσταση, καθώς και ο τύπος, η τοποθεσία και η διαστασιολόγηση του διακόπτη απομόνωσης στην DC πλευρά του πάρκου. Όσον αφορά στα συστήματα γείωσης και αντικεραυνικής προστασίας, θα πρέπει να παρέχονται κατάλληλες πληροφορίες σχετικά με το είδος των αγωγών γείωσης, το είδος του Αντικεραυνικού Συστήματος που έχει χρησιμοποιηθεί και οι συσκευές απαγωγών υπερτάσεως που έχουν τοποθετηθεί. Αντίστοιχες πληροφορίες για το διακοπτικό υλικό και τις καλωδιώσεις θα πρέπει να παρέχονται και για την AC πλευρά του πάρκου. Επιπλέον, θα πρέπει να παραδοθούν τα φύλλα προδιαγραφών του εξοπλισμού που τοποθετήθηκε στον επιθεωρητή. Διαδικασία Επιθεώρησης Οπτικός Έλεγχος Η διαδικασία της επιθεώρησης περιλαμβάνει τον οπτικό έλεγχο και τις ηλεκτρολογικές δοκιμές. Ο οπτικός έλεγχος περιλαμβάνει τον οπτικό έλεγχο της εγκατάστασης και πιο συγκεκριμένα εξετάζεται Σελίδα 36 of 113

37 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ η καταλληλότητα του εξοπλισμού σε θέματα διαστασιολόγησης και τρόπου εγκατάστασης με βάση τα πρότυπα της σειράς HD και δει του προτύπου HD Ενδεικτικά αναφέρεται ο έλεγχος όλων των τμημάτων DC και πιο συγκεκριμένα εάν έχουν επιλεγχθεί με βάση το αναμενόμενο ρεύμα και την τάση του συστήματος, όπως αυτά παρουσιάστηκαν ανωτέρω. Επίσης, στην DC πλευρά του συστήματος ελέγχεται ο τρόπος εγκατάστασης των καλωδιώσεων DC και πιο συγκεκριμένα εάν έχουν επιλεγχθεί και τοποθετηθεί ώστε να αντέχουν τις συνθήκες του περιβάλλοντος στις οποίες εκτίθενται, καθώς επίσης και εάν έχουν τοποθετηθεί με γνώμονα την ελαχιστοποίηση των βρόγχων καλωδίωσης. Επιπλέον, ελέγχονται οι διατάξεις προστασίας που έχουν τοποθετηθεί και εάν αυτές συμφωνούν με τις κείμενες διατάξεις και τις οδηγίες των κατασκευαστών του εξοπλισμού, καθώς επίσης και η ύπαρξη διακόπτη απομόνωσης στην DC πλευρά. Αντιστοίχως, στην AC πλευρά ο οπτικός έλεγχος περιλαμβάνει τον έλεγχο ύπαρξης διακόπτη απομόνωσης στην πλευρά του αναστροφέα και της ρύθμισης του αναστροφέα με βάση τις τοπικές διατάξεις. Ακόμη, εξετάζεται σε όλη την εγκατάσταση η επάρκεια του συστήματος ως προς τις υπερτάσεις, που ενδέχεται να εμφανιστούν και ως προς την προστασία των ατόμων από ηλεκτροπληξία. Επιπροσθέτως, ελέγχεται η ύπαρξη κατάλληλης και επαρκούς σήμανσης σε όλο τον εξοπλισμό και σε όλα τα κυκλώματα. Η σήμανση αυτή θα πρέπει να αντέχει στο χρόνο και στις εξωτερικές συνθήκες περιβάλλοντος και να επεξηγεί άμεσα το λειτουργικό σκοπό του αντικειμένου. Δοκιμές Οι μετρητικοί έλεγχοι που αναφέρονται στο πρότυπο EN αντιστοιχούν στους ελέγχους που αναφέρονται στο πρότυπο HD Συγκεκριμένα, ορίζεται η διεξαγωγή ελέγχου ισοδυναμικότητας των προστατευτικών αγωγών γείωσης και/ή ισοδυναμικών ζυγών γείωσης, καθώς επίσης και έλεγχος πολικότητας των DC καλωδίων. Επιπλέον, ορίζεται η μέτρηση της τάσης ανοιχτοκύκλωσης της κάθε στοιχειοσειράς του φωτοβολταϊκού συστήματος, καθώς επίσης και του ρεύματος της στοιχειοσειράς και του ρεύματος βραχυκύκλωσης της στοιχειοσειράς. Εν συνεχεία, ορίζεται η διαδικασία ελέγχου αντίστασης μόνωσης των καλωδίων, καθώς και τα ελάχιστα όρια που θα πρέπει να ακολουθούνται κατά τον έλεγχο αυτό. Όσον αφορά στην μέτρηση της αντίστασης μόνωσης, ορίζονται τα όρια του πίνακα που ακολουθεί: Μέθοδος Δοκιμής Τάση Συστήματος (V oc stc x 1,25) (V) Τάση Δοκιμής (V) Ελάχιστη αντίσταση μόνωσης (MΩ) Μέθοδος Δοκιμής 1 Separate tests to array positive and array negative < , > Μέθοδος Δοκιμής 2 < ,5 Σελίδα 37 of 113

38 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Array positive and negative shorted together > Πίνακας 6: Πίνακας ελαχίστων τιμών αντίστασης μόνωσης Επιπλέον, συστήνεται η φάση της επιθεώρησης να περιλαμβάνει Θερμογραφία, Ανάλυση ισχύος και ενέργειας του πάρκου και μετρήσεις IV καμπυλών. Η θερμογραφία διεξάγεται με θερμοκάμερα, η οποία έχει τη δυνατότητα να καταγράφει την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπει κάθε αντικείμενο, με θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν. Μέσω της διαδικασίας της θερμογραφίας, είναι δυνατός ο εντοπισμός φαινομένων μη ορθής λειτουργίας του πάρκου ή κατασκευής του. Πιο συγκεκριμένα, δύναται να καταγραφούν φαινόμενα ασυμμετρίας φορτίων σε καλώδια, χαλαρών συνδέσεων μεταξύ καλωδίων ή καλωδίων και διακοπτικών υλικών, καθώς και καταγραφή θερμών σημείων (hot spots) επί της επιφάνειας των δομοστοιχείων. Η ανάλυση της ισχύος και ενέργειας του πάρκου επιτελείται με κατάλληλο αναλυτή ενέργειας και ισχύος. Μέσω του αναλυτή αυτού, είναι δυνατή η παρατήρηση της συμπεριφοράς του πάρκου για ένα χρονικό διάστημα, το οποίο καθορίζεται κατά τη μέτρηση και εν τέλει καθίσταται δυνατή η παρατήρηση της ποιότητας ισχύος και ενέργειας του πάρκου. Μέσω της διαδικασίας αυτής, δύναται να καταγραφούν διάφορα φαινόμενα ισχύος, επί παραδείγματι υπερτάσεις, υποτάσεις, βυθίσεις τάσεως, διακυμάνσεις τάσης, καθώς επίσης και οι αρμονικές του συστήματος. Εν γένει, η ποιότητα ισχύος καθορίζεται με βάση το πρότυπο ΕΝ Οι μετρήσεις IV καμπυλών διεξάγεται με κατάλληλο όργανο επί των στοιχειοσειρών ενός φωτοβολταϊκού πάρκου. Το αποτέλεσμα της μέτρησης είναι η καμπύλη IV (τάσης έντασης) και PV( τάσης ισχύος) της στοιχειοσειράς, οι οποίες παρουσιάζουν τη δυνατότητα της στοιχειοσειράς να μετατρέψει την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική, δεδομένου των καιρικών συνθηκών που επικρατούν τη στιγμή της μέτρησης. Οι προαναφερόμενες μετρήσεις παρέχουν ενδείξεις για τη συμπεριφορά του πάρκου και δύναται να καταδείξουν προβληματικές, οι οποίες πιθανώς να μην εντοπίζονται από τους λοιπούς ηλεκτρολογικούς και οπτικούς ελέγχους. Σελίδα 38 of 113

39 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ 2.2 Αιολικό Πάρκο Εισαγωγή Σκοπός της παρούσας είναι η ανάλυση των παραγόντων που επηρεάζουν την ενεργειακή παραγωγή μιας αιολικής εγκατάστασης και η παρουσίαση των τρόπων υπολογισμού της αναμενόμενης παραγόμενης ενέργειας ενός αιολικού πάρκου, ενώ αναφορά γίνεται και στις διαδικασίες ελέγχου. Ακόμη, παρουσιάζεται μία μελέτη περίπτωσης που περιλαμβάνει τον υπολογισμό της ετήσιας παραγόμενης ενέργειας μιας αιολικής εγκατάστασης. Αίτια του Ανέμου Το φαινόμενο του ανέμου προκαλείται εξαιτίας των κινήσεων των αέριων μαζών της ατμόσφαιρας λόγω θερμοκρασιακών διαφορών, οι οποίες σχετίζονται με την άνιση διάχυση της ηλιακής θερμότητας. Πιο συγκεκριμένα, οι θερμότερες και ελαφρύτερες αέριες μάζες που συγκεντρώνονται στη ζώνη του Ισημερινού τείνουν να κινηθούν προς τα εξωτερικά στρώματα της ατμόσφαιρας, δίνοντας τη θέση τους στις ψυχρότερες και βαρύτερες αέριες μάζες. Αυτή η κίνηση των αέριων μαζών επηρεάζεται και από το φαινόμενο Coriolis που σχετίζεται με την περιστροφική κίνηση της Γης. Το πεδίο μελέτης του συγκεκριμένου οδηγού περιορίζεται στο χαμηλότερο στρώμα της ατμόσφαιρας καθώς σε αυτό λειτουργεί ο εξοπλισμός παραγωγής αιολικής ενέργειας. Η κίνηση του ανέμου στο στρώμα αυτό επηρεάζεται σφοδρά από δυνάμεις τριβής από το έδαφος και φυσικά εμπόδια που επηρεάζουν τόσο την ταχύτητα όσο και τη διεύθυνση του ανέμου. Από αυτή τη διαδικασία προκαλούνται οι τυρβώδεις ροές του ανέμου, οι οποίες οδηγούν σε διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου σε ένα ευρύ φάσμα τιμών και συχνοτήτων. Η ένταση του ανέμου σε μια συγκεκριμένη θέση κοντά στην επιφάνεια της Γης είναι αποτέλεσμα του συνδυασμού της γεωστροφικής κίνησης της Γης και των τοπικών ανέμων. Για το λόγο αυτό το ανεμολογικό προφίλ επηρεάζεται από τη γεωγραφική θέση, το κλίμα, το ύψος από την επιφάνεια του εδάφους, την τραχύτητα του εδάφους και τα φυσικά εμπόδια που βρίσκονται περιμετρικά του σημείου που μελετάται. Μέση Ταχύτητα Ανέμου Το σημαντικότερο ενεργειακό μέγεθος σε μία ενεργειακή μελέτη μιας αιολικής εγκατάστασης είναι η μέση ταχύτητα ανέμου στα σημεία ενδιαφέροντος. Από τη μέση ταχύτητα ανέμου θα καθοριστεί η αποδοτικότητα του εξοπλισμού και κατ επέκταση ο συντελεστής χρησιμοποίησης της εγκατάστασης. Επιπροσθέτως, από το εύρος των μέσων ταχυτήτων ανέμου θα επιλεγούν τα χαρακτηριστικά του εξοπλισμού που τελικώς θα εγκατασταθεί. Η διαδικασία υπολογισμού της μέσης ταχύτητας ανέμου, της μοντελοποίησης της ροής του, και της πρόβλεψης της μελλοντικής του συμπεριφοράς χαρακτηρίζεται ως επίπονη εξαιτίας της στοχαστικής του φύσης. Το πρώτο βήμα για τη μοντελοποίηση είναι η καταγραφή της μέσης ταχύτητας ανέμου και της διεύθυνσης στην οποία πνέει. Αυτό πραγματοποιείται με τη βοήθεια κατανομών συχνοτήτων. Οι μετρούμενες τιμές του ανέμου δηλαδή καταχωρούνται στο φάσμα της ταχύτητας το οποίο έχει Σελίδα 39 of 113

40 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού διαιρεθεί σε ίσες ποσότητες (bins) και η πιθανότητα εμφάνισης μίας τιμής προκύπτει από την συχνότητα για την οποία αυτή η τιμή έχει καταγραφεί. Αντίστοιχη διαδικασία πραγματοποιείται και για τη διεύθυνση του ανέμου. Εικόνα 14: Παράδειγμα ροδογράμματος κατανομής ταχυτήτων, στο οποίο απεικονίζεται η συχνότητα εμφάνισης μιας τιμής της ταχύτητας ανέμου και η διεύθυνση για την οποία αυτή κατεγράφη (πηγή: Dynamical modeling of stochastic wind flow in street canyons) Η κατανομή συχνοτήτων της μέσης ταχύτητας του ανέμου μπορεί να προσεγγιστεί ικανοποιητικά από μία καμπύλη Weibull. Η κατανομή Weibull, σε αυτή την περίπτωση, περιγράφεται από την παρακάτω εξίσωση: Εξίσωση 1 : Κατανομή Weibull Όπου τα k και C είναι οι συντελεστές της καμπύλης οι οποίοι προσαρμόζονται στις εκάστοτε μετρήσεις. Στην ειδική περίπτωση που ο συντελεστής k λάβει την τιμή 2, τότε προκύπτει η κατανομή Rayleigh. Παρακάτω παρουσιάζεται παράδειγμα κατανομής συχνοτήτων και αντίστοιχης προσέγγισης με κατανομή Weibull, όπως έχει προκύψει από ανεμολογικές μετρήσεις δύο ετών: Σελίδα 40 of 113

41 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 15: Ενδεικτική κατανομή συχνοτήτων και προσέγγιση της με κατανομή Weibull Σελίδα 41 of 113

42 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Άλλος ένας παράγοντας που επηρεάζει την ταχύτητα ανέμου εκτός από τη θέση είναι το ύψος. Πιο συγκεκριμένα, η επιφάνεια του εδάφους ακόμα και στην περίπτωση που δε φιλοξενεί φυσικά εμπόδια, ασκεί δυνάμεις τριβής στις αέριες μάζες, με αποτέλεσμα να καθυστερεί την κίνησή τους στα χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται διάτμηση του ανέμου και επηρεάζει τη λειτουργία των ανεμογεννητριών καθώς το ύψος από την επιφάνεια του εδάφους μειώνεται. Ο τρόπος με τον οποίο επηρεάζεται η ταχύτητα του ανέμου προσεγγίζεται σύμφωνα με το ΕΝ μέσα από τις παρακάτω μεθόδους: Λογαριθμικό Προφίλ :. Εκθετικό Προφίλ :. Όπου είναι η ταχύτητα σε ύψος z, Z είναι το ύψος πάνω από το επίπεδο του εδάφους, Zr είναι το σταθερό ύψος μέτρησης, Ζο εκφράζει την τραχύτητα και α είναι ο συντελεστής διάτμησης ανέμου. Παρακάτω παρουσιάζεται ενδεικτικά ένα προφίλ διάτμησης ανέμου όπως έχει προκύψει από διετή ανεμολογικά δεδομένα: Εικόνα 16: Ενδεικτικό προφίλ διάτμησης ανέμου Στον παρακάτω πίνακα παρατίθενται οι ενδεικτικές τιμές Zo για διαφορετικές επιφάνειες εδάφους: Τύπος Επιφάνειας Εδάφους Z o (mm) a Άμμος 0,2 έως 0,3 0,10 Κουρεμένο γρασίδι 1 έως 10 0,13 Ψηλό γρασίδι 40 έως 100 0,19 Σελίδα 42 of 113

43 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Προάστιο 1000 έως ,32 Πίνακας 7: Ενδεικτικές τιμές δεικτών τραχύτητας Σελίδα 43 of 113

44 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Αιολική Ενέργεια Η κινητική ενέργεια του ανέμου ανά μονάδα όγκου περιγράφεται από την παρακάτω εξίσωση: 1 2 Όπου το ρ αντιστοιχεί στην πυκνότητα αέρα. Για τη ροή του ανέμου μέσα από μία επιφάνεια διατομής Α, ο ρυθμός ροής αντιστοιχεί σε AV, όπου το V αντιστοιχεί στην ταχύτητα της ροής. Κατ επέκταση η ισχύς του ανέμου που διέρχεται από μία επιφάνεια Α με ταχύτητα V περιγράφεται από την εξίσωση: 1 2 Εξίσωση 2 : Αιολική ισχύς Θεωρώντας τον αέρα ως ένα ιδανικό αέριο, από τον νόμο των ιδανικών αερίων λαμβάνεται ότι: όπου: ρ = πίεση VG = ο όγκος του αερίου n = ο αριθμός των mole R = η σταθερά των αερίων T = η θερμοκρασία Επίσης, η πυκνότητα του αέρα θα είναι: Σελίδα 44 of 113

45 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Και επομένως, συνδυάζοντας τις παραπάνω εξισώσεις λαμβάνεται ότι: Καθώς ο άνεμος διέρχεται από τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας, μέρος της κινητικής του ενέργειας μεταδίδεται σε αυτήν και το υπόλοιπο συνεχίζει να υπάρχει. Επομένως, υπάρχει μία σχέση που αποδίδει το ποσοστό ισχύος που μεταδίδεται από τον άνεμο στην ανεμογεννήτρια το οποίο καλείται συντελεστής ισχύος (power coefficient) και καθορίζεται από την ακόλουθη σχέση: 2 όπου: ρα = η πυκνότητα του αέρα PT = η ισχύς που αποδίδεται στην ανεμογεννήτρια V = η ταχύτητα του ανέμου ΑT = η επιφάνεια διατομής της ανεμογεννήτριας Προφανώς, όσο μεγαλύτερο Cp έχει μία ανεμογεννήτρια, τόσο πιο αποδοτική είναι. Καθώς το Cp εξαρτάται από τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας, όπως είναι το προφίλ των πτερύγων, η διάταξη τους κλπ, κατά την φάση της προϊόντικής ανάπτυξης των ανεμογεννητριών οι επιμέρους παράμετροι εξετάζονται αναλυτικά, σε μία προσπάθεια βελτιστοποίησης του προϊόντος. Η ώση που εφαρμόζεται επί των πτερυγίων μίας ανεμογεννήτριας δίδεται από τον τύπο: 1 2 και επομένως, η ροπή που μεταφέρεται στον άξονα της ηλεκτρομηχανής είναι: 1 2 όπου: R = η ακτίνα πτερωτής Η παραπάνω είναι η μέγιστη θεωρητική ροπή που μπορεί να μεταδοθεί στον άξονα της ηλεκτρομηχανής. Στην πράξη, μόνο ένα μέρος της μεταδίδεται. Το ποσοστό που θα μεταδοθεί εξαρτάται από τον συντελεστή ροπής (torque coefficient), ο οποίος δίδεται από τον τύπο: 2 όπου TT είναι η ροπή που πραγματικά μεταδίδεται. Σελίδα 45 of 113

46 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Άλλο χαρακτηριστικό μέγεθος είναι ο λόγος της ταχύτητας του ανέμου με την ταχύτητα της άκρης των πτερύγων, ο οποίος αποδίδεται από την σχέση: 2 όπου: Ω = η γωνιακή ταχύτητα V = η ταχύτητα ανέμου Ν = η συχνότητα περιστροφής Επειδή: 2 2 προκύπτει ότι: Η χρήση των λ και Cp είναι σημαντική στην μελέτη των ανεμογεννητριών. Αφενός τα μεγέθη αυτά είναι αδιάστατα, αφετέρου είναι ανεξάρτητα από το μέγεθος της μηχανής. Εξαρτώνται, δε, από τον σχεδιασμό του ρότορα. Συχνά, κατασκευάζονται διαγράμματα Cp-λ, στα οποία μελετάται ο βέλτιστος σχεδιασμός. Εάν τώρα προσεγγιστεί μία μάζα αέρα που διέρχεται από μία ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα ως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα: Σελίδα 46 of 113

47 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ τότε, εφαρμόζοντας την αρχή διατήρησης της μάζας ισχύει: Επίσης, από την αρχή διατήρησης της ορμής προκύπτει ότι η ώση που ασκείται στα πτερύγια της ανεμογεννήτριας θα είναι ίση με την διαφορά της ορμής, ήτοι: Επαγωγικά, συνδυάζοντας τις δύο ανωτέρω εξισώσεις, προκύπτει ότι: Θεωρώντας ότι pu η πίεση στην προσήνεμη πλευρά της ανεμογεννήτριας και pd η πίεση στην υπήνεμη, τότε η παραπάνω σχέση μπορεί να γραφεί και ως: Εφαρμόζοντας την αρχή του Bernoulli και θεωρώντας ότι η στατική πίεση ισούται με την ατμοσφαιρική (p), προκύπτει: 2 2 και 2 2 Συνδυάζοντας τις παραπάνω εξισώσεις: 2 και επομένως: 2 Στην συνέχεια εισάγεται ο συντελεστής a, όπως φαίνεται παρακάτω: Άρα: 1, 1 2 Σελίδα 47 of 113

48 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Χρησιμοποιώντας τα παραπάνω προκύπτει ότι: Παραγωγίζοντας το CP για την εύρεση του μέγιστου προκύπτει α = 1/3. Άρα: Το παραπάνω είναι γνωστό ως το όριο του Betz και αποδίδει τον θεωρητικώς μέγιστο βαθμό απόδοσης μίας ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα. Στον αντίποδα, για τις μηχανές κατακόρυφου άξονα που βασίζονται στην οπισθέλκουσα, το όριο είναι 8/27. Αυτός είναι και ένας από τους βασικούς λόγους που οι μηχανές οριζόντιου άξονα έχουν επικρατήσει για την ηλεκτροπαραγωγή. Τύρβη Η τυρβώδης ροή του ανέμου δύναται να επηρεάσει ισχυρά τα αεροδυναμικά φορτία που δέχεται ο εξοπλισμός παραγωγής αιολικής ενέργειας. Το φαινόμενο λαμβάνει χώρα κατά τις συνεχείς, απότομες και τυχαίες μεταβολές των ταχυτήτων ανέμου, για συχνότητες υψηλότερες του φασματικού κενού. Σε αυτές τις απότομες μεταβολές τα σωματίδια του αέρα που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα μεταφέρονται σε στρώματα αέρα όπου τα σωματίδια κινούνται με χαμηλότερες ταχύτητες, διαδικασία η οποία οδηγεί στη μετάδοση θερμότητας μεταξύ των στρωμάτων της ατμόσφαιρας. Η εμφάνιση τυρβώδους ροής του ανέμου δύναται να επιβαρύνει τον εξοπλισμό με κοπωτικά φορτία και για το λόγο αυτό οι εντάσεις της τύρβης αποτελούν αντικείμενο μελέτης και αξιολόγησης. Σημειώνεται πως οι τυρβώδεις ροές είναι εντονότερες στα χαμηλότερα ύψη και αυξάνονται με την παρουσία εμποδίων. Εικόνα 17: Σχηματική απεικόνιση τυρβώδους ροής (πηγή: Σελίδα 48 of 113

49 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Ανεμογεννήτριες Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της κινητικής αιολικής ενέργειας σε αξιοποιήσιμη μηχανική ενέργεια. Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών έχει εξελιχθεί αρκετά τα τελευταία χρόνια, βελτιστοποιώντας τη δυνατότητα αξιοποίησης της αιολικής ενέργειας. Οι προσπάθειες όμως του ανθρώπου να κατασκευάσει μηχανισμούς εκμετάλλευσης της άφθονης αιολικής ενέργειας χάνονται στους αιώνες. Ενδεικτικά, οι πρώτοι ανεμόμυλοι καταγράφονται στην Περσία το 200 π.χ. Η έλευση της τεχνολογίας στην ευρωπαϊκή ήπειρο καταγράφεται κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα. Το 1887 στο Κλίβελαντ του Οχάιο κατασκευάστηκε και λειτούργησε η πρώτη τουρμπίνα η οποία μπορούσε να μετατρέψει την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική. Εικόνα 18: Η πρώτη αυτόματη ανεμογεννήτρια που κατασκευάστηκε το 1887 στο Κλίβελαντ, η οποία είχε ύψος 18m και ζύγιζε 3,6 τόνους (πηγή: Wikipedia) Ο πρόδρομος της σύγχρονης ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα κατασκευάζεται το 1931 στην ΕΣΣΔ. Η ισχύς της ανερχόταν στα 100kW, ενώ το ύψος της άγγιζε τα 30m. Η πρώτη διασύνδεση ανεμογεννητριών στο δίκτυο επιτεύχθηκε στο Ηνωμένο Βασίλειο το 1951, ενώ η διάθεσή τους στο εμπόριο τοποθετείται στη δεκαετία του 80. Πρωτοπόρες στην τεχνολογική ανάπτυξη των σύγχρονων ανεμογεννητριών είναι μεταξύ άλλων η Δανία και η Ισπανία. Η μέγιστη εγκατεστημένη ισχύς αιολικών πάρκων παγκοσμίως συναντάται αυτή τη στιγμή στην Κίνα, ενώ στη συνέχεια ακολουθούν οι Η.Π.Α., η Γερμανία και η Ισπανία. Οι ανεμογεννήτριες που υπάρχουν στο εμπόριο περιλαμβάνουν μια πτερωτή που στρέφεται με την κίνηση των αερίων μαζών. Οι ανεμογεννήτριες κατατάσσονται αναλόγως με τον άξονα περιστροφής τους, την θέση και τον αριθμό των πτερυγίων, την ισχύ τους κλπ. Ενδεικτικά παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα βασική κατάταξη των ανεμογεννητριών: Σελίδα 49 of 113

50 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Εικόνα 19: Βασική κατάταξη ανεμογεννητριών Σήμερα, η τεχνολογία του οριζόντιου άξονα έχει επικρατήσει στις ανεμογεννήτριες υψηλής ισχύος. Παρακάτω παρουσιάζεται η όψη μιας τυπικής ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα: Σελίδα 50 of 113

51 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 20: Τυπική ανεμογεννήτρια (πηγή: Σελίδα 51 of 113

52 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Τα βασικά της στοιχεία περιλαμβάνουν, το θεμέλιο, τον κλωβό σύνδεσης με το δίκτυο που περιλαμβάνει το μετασχηματιστή, τον πυλώνα, το σύστημα που ελέγχει τον προσανατολισμό της πτερωτής (yaw control), το θάλαμο (nacelle), τη γεννήτρια, το ανεμόμετρο, το κιβώτιο ταχυτήτων, τα πτερύγια της πτερωτής και την πλήμνη. Ο βασικός μηχανισμός εγκιβωτίζεται συνήθως στο θάλαμο, όπως φαίνεται παρακάτω: Εικόνα 21: Εξοπλισμός στο θάλαμο της Α/Γ (πηγή: NREL) Σελίδα 52 of 113

53 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 22: Κατασκευή θεμελίου ανεμογεννήτριας Εικόνα 23: Ανεμογεννήτρια κατά την ανέγερση Σελίδα 53 of 113

54 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Εικόνα 24: Άποψη αιολικού πάρκου Σελίδα 54 of 113

55 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ To ηλεκτρομηχανολογικό σύστημα μέσω του οποίου η αιολική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική και εγχέεται στο δίκτυο παρουσιάζεται στο παρακάτω διάγραμμα: Εικόνα 25: Μηχανισμός ανεμογεννήτριας (πηγή: Η δυνατότητες παραγωγής ενέργειας μέσω των ανεμογεννητριών διαφέρουν αναλόγως με τον εκάστοτε τύπο ανεμογεννήτριας. Η σχέση μεταξύ της μέσης ταχύτητας ανέμου του κάθε εξοπλισμού με την ισχύ που θα εγχύσει στο δίκτυο περιγράφεται από την καμπύλη ισχύος. Παρακάτω παρουσιάζεται εν παραδείγματι η καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας ισχύος 3MW με ύψος πλήμνης τα 80m και διάμετρο ρότορα τα 90m: Σελίδα 55 of 113

56 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Εικόνα 26: Χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος (πηγή: Windographer library) Σελίδα 56 of 113

57 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Η καμπύλη ισχύος διαφοροποιείται αναλόγως με τον εξοπλισμό αλλά και τις περιβάλλουσες συνθήκες λειτουργίας όπως η πυκνότητα αέρα και η θερμοκρασία. Επιλογή Θέσης Το ανεμολογικό προφίλ και επομένως η απόδοση μιας ανεμογεννήτριας εξαρτώνται από τη θέση στην οποία θα εγκατασταθεί και τις ιδιαίτερες περιβαλλοντικές συνθήκες που επικρατούν σε αυτή. Για το λόγο αυτό η διαδικασία επιλογής θέσης του εξοπλισμού είναι κρίσιμη και σχετίζεται με πολλούς παράγοντες. Πιο συγκεκριμένα, το βασικό ενεργειακό κριτήριο για την επιλογή θέσης είναι η όσο το δυνατόν υψηλότερη μέση ταχύτητα ανέμου στο ύψος πλήμνης. Η ταχύτητα ανέμου εξαρτάται από το ανεμολογικό προφίλ που υπολογίζεται για την εκάστοτε θέση και επομένως από το συντελεστή τραχύτητας. Συνήθως επιδιώκεται η θέση που θα επιλεχθεί να χαρακτηρίζεται από θετικά προφίλ διάτμησης έτσι ώστε να επιτυγχάνονται υψηλές ταχύτητες στο ύψος πλήμνης. Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει τη χωροθέτηση είναι οι σχετικές αποστάσεις μεταξύ των μονάδων του εξοπλισμού, καθώς οι γειτονικές ανεμογεννήτριες αποτελούν εμπόδια και επηρεάζουν την ενεργειακή παραγωγή της κάθε γεννήτριας, άλλοτε ενισχύοντάς τη και άλλοτε μειώνοντάς τη, αναλόγως με τη διεύθυνση του ανέμου. Οι απώλειες εξαιτίας της αλληλεπίδρασης (wake effect) ποσοτικοποιούνται και προσμετρώνται κατά τη διαδικασία των ενεργειακών υπολογισμών. Εικόνα 27: Αλληλεπίδραση ανεμογεννητριών (πηγή: Εκτός των λοιπών ανεμογεννητριών της εγκατάστασης, ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει την ένταση του ανέμου και επομένως την ενεργειακή παραγωγή είναι η παρουσία λοιπών εμποδίων. Σελίδα 57 of 113

58 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Εικόνα 28: Επίδραση εμποδίων (πηγή: Introduction to wind energy systems, basics, technology and operation) Άλλος ένας παράγοντας που επηρεάζει την επιλογή της θέσης είναι η σταθερότητα της ατμόσφαιρας. Η σταθερότητα του στρώματος της ατμόσφαιρας στο οποίο λειτουργεί η εγκατάσταση εκφράζει τον τρόπο με τον οποίο προωθείται ή περιορίζεται η κίνηση αερίων μαζών στην ατμόσφαιρα. Οι θερμοκρασιακές μεταβολές που πραγματοποιούνται στην ατμόσφαιρα επηρεάζουν τη σταθερότητά της. Κατά τη διάρκεια της ημέρας η αύξηση ή η μείωση της θερμοκρασίας της επιφάνειας προκαλεί διαφορετικές διαστρωματώσεις μέσα στην ατμόσφαιρα. Η ποιότητα της ατμόσφαιρας μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε τρεις βασικές ομάδες: 1. Ασταθής ατμόσφαιρα: συνήθως εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της ημέρας, οπότε τα χαμηλότερα στρώματα αέρα θερμαίνονται λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας και ανεβαίνουν υψηλότερα. Αυτή η κατάσταση ενισχύει την κάθετη κίνηση ανοδική κίνηση των αερίων μαζών. 2. Σταθερή ατμόσφαιρα: συνήθως εμφανίζεται κατά τις βραδινές ώρες, οπότε και κυριαρχεί η εκπομπή ακτινοβολίας από το έδαφος προς την ατμόσφαιρα. Σε αυτή την περίπτωση η θερμοκρασία των χαμηλότερων στρωμάτων αέρα μειώνεται και η πυκνότητα του αέρα αυξάνεται κοντά στο έδαφος. Κατά τη διάρκεια αυτής της κατάστασης μειώνεται η κάθετη κίνηση αερίων μαζών, ενώ η ροή θερμότητας είναι καθοδική. 3. Σχεδόν ουδέτερη κατάσταση: εμφανίζεται συνήθως όταν οι θερμικές επιδράσεις είναι λιγότερες, σε περιπτώσεις δηλαδή που επικρατούν ισχυροί άνεμοι ή έντονη συννεφιά. Σε αυτή την κατάσταση η κάθετη κίνηση αερίων μαζών δεν ενισχύεται αλλά ούτε και περιορίζεται, ενώ η ροή θερμότητας προσεγγίζει μηδενικές τιμές. Το παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζει τις επιδράσεις της ατμόσφαιρας στο ροϊκό πεδίο: Σελίδα 58 of 113

59 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 29: Καταστάσεις ατμόσφαιρας και ροϊκό πεδίο (πηγή : EWEA Technology Workshop Resource Assessment 2013) Σελίδα 59 of 113

60 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Όσον αφορά το προφίλ διάτμησης του αέρα, η σταθερή ατμόσφαιρα χαρακτηρίζεται από υψηλότερη αύξηση της ταχύτητας του ανέμου σε μεγαλύτερα ύψη από ότι σε ουδέτερες ατμόσφαιρες, καθώς οι μειωμένες κάθετες κινήσεις των αερίων μαζών οδηγούν σε αποσύνδεση αερίων στρωμάτων γεγονός που αυξάνει τη μέση ταχύτητα ανέμου στα υψηλότερα σημεία. Από την άλλη, το αντίθετο ισχύει για τις ασταθείς ατμόσφαιρες όπου λόγω ενισχυμένων κάθετων κινήσεων των αερίων μαζών εμποδίζεται η ισχυρή αύξηση της ταχύτητας ανέμου σε μεγαλύτερα ύψη. Αυτή η διαδικασία απεικονίζεται στο παρακάτω διάγραμμα: Εικόνα 30: Σταθερότητα της ατμόσφαιρας και ταχύτητα ανέμου (πηγή : Influence of atmospheric stability variation on uncertainties of wind farm production estimation, Electrical Engineering Institute Nicola Tesla ) Η μεγιστοποίηση της ταχύτητας του ανέμου όμως δεν αποτελεί το μοναδικό κριτήριο κατά την επιλογή θέσης. Περαιτέρω περιορισμοί τίθενται από τον κατασκευαστή των ανεμογεννητριών και αφορούν, τη μέγιστη ταχύτητα ανέμου, την ένταση της περιβάλλουσας τύρβης, το προφίλ διάτμησης, την κλίση του εδάφους και τη γωνία των διανυσμάτων του ανέμου. Οι πρώτοι δύο παράγοντες εκφράζονται μέσα από την κλάση του εξοπλισμού. Οι κλάσεις των ανεμογεννητριών ορίζονται στον παρακάτω πίνακα σύμφωνα με το IEC : Wind turbine class I II III S V ref (m/s) 50 42,5 37,5 A Iref (-) 0,16 B Iref (-) 0,14 Values specified by the designer Σελίδα 60 of 113

61 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ C Iref (-) 0,12 Πίνακας 8: ΕΝ /6.2/Table 1 Σελίδα 61 of 113

62 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Οι λοιποί περιορισμοί καθορίζονται για τον εκάστοτε εξοπλισμό από τον κατασκευαστή. Οι θέσεις στις οποίες ο περιορισμοί δεν τηρούνται δεν είναι κατάλληλες για τη χωροθέτηση των ανεμογεννητριών (με εξαίρεση τις περιπτώσεις που εκδίδεται για τα συγκεκριμένα σημεία έγκριση χωροθέτησης από τον κατασκευαστή) εξαιτίας των μηχανικών φορτίων που δέχεται ο εξοπλισμός. Συλλογή Ανεμολογικών Δεδομένων Για την επιλογή θέσης της εγκατάστασης αλλά και για τη διενέργεια ενεργειακών υπολογισμών είναι απαραίτητο να υπάρχουν διαθέσιμα ανεμολογικά δεδομένα. Για την εκτίμηση του αιολικού δυναμικού μιας περιοχής είναι διαθέσιμες διάφορες τράπεζες ανεμολογικών μετρήσεων, όπως η τράπεζα μακροχρόνιων δεδομένων Merra που διαθέτει μετρήσεις ανά 1 ο έκτασης, ή ο ανεμολογικός χάρτης της ΡΑΕ που αφορά την ελληνική επικράτεια και παρουσιάζεται παρακάτω: Εικόνα 31: Χάρτης αιολικού δυναμικού σε ύψος 80m από την επιφάνεια του εδάφους (πηγή: ΡΑΕ) Σελίδα 62 of 113

63 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Τα δεδομένα αυτά αποδίδουν το γενικό ανεμολογικό προφίλ μιας περιοχής. Για τη διεξαγωγή λεπτομερέστερων συμπερασμάτων ακολουθείται η διαδικασία εγκατάστασης ανεμολογικών ιστών και λήψης δεδομένων. Εικόνα 32: Παράδειγμα σχεδιαγράμματος ανεμολογικού ιστού (πηγή: παρουσίαση Α.Π.Ε. αιολική ενέργεια, εργαστηρίου αιολικής ενέργειας ΤΕΙ Κρήτης) Η διάρκεια της συλλογής μετρήσεων θα πρέπει να είναι κατ ελάχιστον μονοετής έτσι ώστε να αποφεύγεται το seasonal bias και να αποδοθεί μια αντιπροσωπευτική ανεμολογική εικόνα της περιοχής. Σημειώνεται πως η αύξηση της διάρκειας των μετρήσεων μειώνει την αβεβαιότητά τους. Αναφορικά με τα χαρακτηριστικά των ιστών, το δίκτυο Measnet θέτει ορισμένες βέλτιστες πρακτικές ώστε τα αποτελέσματα να είναι όσο το δυνατόν πιο αξιόπιστα με σκοπό τη μείωση της αβεβαιότητας του αποτελέσματος. Τα βασικότερα από τα κριτήρια Measnet ακολουθούν στον παρακάτω πίνακα: Σελίδα 63 of 113

64 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Κριτήρια Measnet 1. Η απόσταση του ανεμολογικού ιστού από τις πιθανές θέσεις του εξοπλισμού να μην υπερβαίνει τα 2km στην περίπτωση που η χωροθέτηση πραγματοποιείται σε περίπλοκο ανάγλυφο και τα 10km σε αντίθετη περίπτωση. 2. Ο ιστός περιλαμβάνει ανεμόμετρα, αισθητήρες διεύθυνσης ανέμου, θερμόμετρα, βαρόμετρα και αισθητήρες υγρασίας σε διάφορα ύψη. 3. Το κορυφαίο ανεμόμετρο τοποθετείται σε ύψος που ανέρχεται στα 2/3 του ύψους πλήμνης του εξοπλισμού που θα τοποθετηθεί. 4. Το ανεμόμετρο ελέγχου και ο κορυφαίος αισθητήρας διεύθυνσης τοποθετούνται σε απόσταση μεταξύ 1,5m & 2,5m από το κορυφαίο ανεμόμετρο. 5. Τοποθετείται τουλάχιστον άλλο ένα ανεμόμετρο σε ύψος 20m χαμηλότερο από το κορυφαίο. Το ίδιο κατ αντιστοιχία ισχύει και για τον αισθητήρα διεύθυνσης. 6. Οι μετρήσεις λαμβάνονται ανά 10 λεπτά με βαθμό δειγματοληψίας κατ ελάχιστον ίσο με 1Hz. 7. Τα λοιπά ανεμόμετρα και οι λοιποί αισθητήρες διεύθυνσης εγκαθίστανται όσο το δυνατό πλησιέστερα στην περιοχή περιστροφής ρότορα του εξοπλισμού που θα τοποθετηθεί. 8. Η αντικεραυνική προστασία διατηρεί ελάχιστη απόσταση από το κορυφαίο ανεμόμετρο ίση με 50*d όπου d η διάμετρος της αντικεραυνικής ακίδας. 9. Τα περιμετρικά ανεμόμετρα εγκαθίστανται με απόκλιση διεύθυνσης 45 ο από τον κύρια διεύθυνση του ανέμου στην περίπτωση κυλινδρικού ιστού και 90 ο στην περίπτωση τριγωνικού ιστού. 10. Το θερμόμετρο τοποθετείται στα 10 υψηλότερα μέτρα του ιστού. Σε περιπτώσεις περίπλοκου ανάγλυφου ή έντονης επίδρασης του είδους της ατμόσφαιρας στην ταχύτητα του ανέμου, προτείνεται η εγκατάσταση επιπλέον αισθητήρων θερμοκρασίας. 11. Προτείνεται η εγκατάσταση αισθητήρα θερμοκρασίας πλησίον του ύψους πλήμνης. Στην περίπτωση που αυτό δεν είναι εφικτό, διενεργούνται υπολογισμοί. 12. Ο αισθητήρας υγρασίας τοποθετείται στα 10 υψηλότερα μέτρα του ιστού. Πίνακας 9: Κριτήρια Measnet για τους ιστούς μετρήσεων Σελίδα 64 of 113

65 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Μετά τη συλλογή των ανεμολογικών δεδομένων και την επεξεργασία τους δημιουργούνται χρονοσειρές δεδομένων. Στην περίπτωση που οι χρονοσειρές αυτές δεν είναι συνεχείς (π.χ. εξαιτίας κάποιας παύσης των μετρήσεων λόγω περιβαλλοντικών συνθηκών), υπάρχει η δυνατότητα συμπλήρωσής τους από τα μακροχρόνια δεδομένα μέσα από τη διαδικασία MCP (Measure Correlate Predict). Επίσης, με τη βοήθεια αυτής της διαδικασίας δύναται να προσδιοριστεί το χαρακτηριστικό ανεμολογικό έτος μιας περιοχής. Η διαδικασία MCP συνίσταται στη σύγκριση μεταξύ της χρονοσειράς των ανεμολογικών δεδομένων που συλλέχθηκαν από τον ιστό, και μιας μακροχρόνιας χρονοσειράς που αποδίδει ανεμολογικά δεδομένα για χρονικό διάστημα παράλληλο και αρκετά μεγαλύτερο από αυτό της λειτουργίας του ιστού. Από τη σύγκριση αυτή προκύπτει η συσχέτιση μεταξύ των χρονοσειρών και παράγεται ένας αλγόριθμος που αποδίδει τη μεταξύ τους σχέση. Από αυτόν τον αλγόριθμο μπορούν στη συνέχεια να υπολογιστούν δεδομένα που δεν ήταν διαθέσιμα κατά τη διάρκεια των μετρήσεων ή που δεν ανήκουν στο χρονικό διάστημα μετρήσεων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η μετρούμενη χρονοσειρά να αυξηθεί σε χρονική διάρκεια και να προσεγγίσει ενδεχομένως περισσότερο το ανεμολογικό προφίλ της θέσης που μελετάται. Το διάγραμμα της διαδικασίας ακολουθεί παρακάτω: Εικόνα 33: Διαδικασία MCP (πηγή: Evaluation of site-specific wind conditions, Version 1, Measnet) Ενεργειακοί Υπολογισμοί Μετά τη συλλογή ανεμολογικών δεδομένων και την επιλογή της θέσης μπορούν να πραγματοποιηθούν οι ενεργειακοί υπολογισμοί. Σελίδα 65 of 113

66 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Η συμπεριφορά της ροής των ρευστών περιγράφεται από τις εξισώσεις Navier-Stokes. Οι εξισώσεις αυτές είναι μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις και χαρακτηρίζονται ως ασταθείς και δυσεπίλυτες. Για τον παράγοντα x: Για τον παράγοντα y: Για τον παράγοντα z: Εξίσωση 3 : Navier-Stokes Υπάρχουν απλουστευμένες μέθοδοι επίλυσής τους στις οποίες γραμμικοποιούνται οι μη γραμμικοί όροι των εξισώσεων. Οι μέθοδοι αυτές χρησιμοποιούνται ευρέως και παρουσιάζουν ικανοποιητική ακρίβεια. Ωστόσο, αν και η γραμμική μέθοδος είναι διαδεδομένη και χρονικά σύντομη στη φάση της επίλυσης, σε ορισμένες περιπτώσεις δεν είναι ιδιαιτέρως ακριβής. Εκτός της γραμμικής μεθόδου, υπάρχει η μη γραμμική μέθοδος επίλυσης (CFD) στην οποία επιλύονται οι διαφορικές εξισώσεις Navier-Stokes χωρίς γραμμικοποιήσεις. Παρακάτω παρουσιάζεται ενδεικτικά το χάρτης της ετήσιας αναμενόμενης ενέργειας για μια περιοχή όπως έχει προκύψει από τη μέθοδο CFD: Σελίδα 66 of 113

67 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 34: Ενδεικτικό ροϊκό Πεδίο που έχει υπολογιστεί με μη γραμμικό μοντέλο (έχει χρησιμοποιηθεί το λογισμικό WindSim) Η δεύτερη μέθοδος δεν είναι τόσο διαδεδομένη όσο η πρώτη, ενώ χαρακτηρίζεται ως χρονοβόρα με υψηλές υπολογιστικές απαιτήσεις κατά την επίλυση του ροϊκού πεδίου. Τα δύο μοντέλα εμφανίζουν μια σχετική σύγκλιση των αποτελεσμάτων τους στις περιπτώσεις όπου η περιοχή που εξετάζεται δεν έχει περίπλοκο ανάγλυφο. Όσο όμως οι κλίσεις εδάφους αυξάνεται, τόσο γίνεται εντονότερη η αδυναμία του γραμμικού μοντέλου να προσομοιώσει τις κινήσεις των αερίων μαζών. Εικόνα 35: Σύγκριση των μοντέλων επίλυσης ανάλογα με την κλίση του εδάφους (πηγή: WindSim Getting Started) Η επιλογή του τρόπου επίλυσης διαφέρει κατά περίπτωση και εξαρτάται από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της εγκατάστασης που αποτελεί το αντικείμενο μελέτης. Σελίδα 67 of 113

68 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Έλεγχος της Εγκατάστασης Μετά τη ολοκλήρωση της φάσης κατασκευής της αιολικής εγκατάστασης και πριν την έναρξη της κανονικής λειτουργίας της πραγματοποιείται σειρά ελέγχων και δοκιμών. Οι βασικοί έλεγχοι αφορούν τον εξοπλισμό των ανεμογεννητριών, το σύστημα SCADA (supervisory control and data acquisition) της εγκατάστασης, τον ηλεκτρολογικό εξοπλισμό και τα θεμέλια των ανεμογεννητριών. Ο έλεγχος των ανεμογεννητριών πραγματοποιείται τόσο κατά την κατασκευή τους όσο και μετά την εγκατάστασή τους στο αιολικό πάρκο. Κατά την κατασκευή τους, ελέγχεται η ορθή λειτουργία όλων των επί μέρους μονάδων του εξοπλισμού (πυλώνας, ηλεκτρικά μέρη και θάλαμος εξοπλισμού). Στη συνέχεια και αφού εγκατασταθούν οι ανεμογεννήτριες στο γήπεδο, τίθενται σε λειτουργία για σύντομο διάστημα και πραγματοποιείται επιθεώρηση κατά την οποία πιστοποιείται η ασφαλής και επαρκής λειτουργία της κάθε ανεμογεννήτριας. Αφού ολοκληρωθεί επιτυχώς η διαδικασία αυτή, το σύνολο της εγκατάστασης τίθεται σε λειτουργία για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα ώστε να πραγματοποιηθούν ενδελεχείς δοκιμές. Μετά τον έλεγχο της ορθής λειτουργίας, ακολουθούν οι τελικές δοκιμές για την απόδοση του εξοπλισμού. Στη διαδικασία περιλαμβάνονται έλεγχοι για τη διαθεσιμότητα της εγκατάστασης, καταγραφές των καμπύλων ισχύος των ανεμογεννητριών, έλεγχοι απόδοσης του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού και μετρήσεις των επιπέδων θορύβου στην εγκατάσταση. Εκτός των ανεμογεννητριών, ελέγχεται η ορθή και επαρκής λειτουργία του συστήματος SCADA της εγκατάστασης. Σε αυτή την περίπτωση εξετάζεται τόσο η ορθή λειτουργία όλων των μερών του συστήματος, όσο και η επαρκής σύνδεση και επίβλεψη όλων των μερών της εγκατάστασης που αφορούν τον υποσταθμό και το αιολικό πάρκο. Το σύστημα SCADA επιτρέπει την τηλεμετρική παρακολούθηση της εγκατάστασης και επομένως την παρακολούθηση των ενεργειακών και λειτουργικών μεγεθών. Η διάσταση αυτή είναι ιδιαιτέρως χρήσιμη εάν αναλογιστεί κάποιος ότι τα αιολικά πάρκα βρίσκονται συνήθως σε δυσπρόσιτες περιοχές και ότι πλήθος εξοπλισμού τους βρίσκεται σε μεγάλο ύψος από το έδαφος, οπότε και η καθημερινή παρακολούθηση από ανθρώπινο δυναμικό είναι δύσκολη. Έλεγχος πραγματοποιείται και στον λοιπό ηλεκτρολογικό εξοπλισμό της εγκατάστασης που περιλαμβάνει τον κεντρικό μετασχηματιστή, τους βοηθητικούς μετασχηματιστές μετρήσεων, το διακοπτικό υλικό, τις καλωδιώσεις και το σύστημα γείωσης. Η διαδοχή των ελέγχων είναι αντίστοιχη με αυτή των ανεμογεννητριών και περιλαμβάνει εργοστασιακούς ελέγχους, επιθεώρηση και δοκιμές του εξοπλισμού αφού έχει εγκατασταθεί στο γήπεδο, ελέγχους και δοκιμές κατά τη δοκιμαστική λειτουργία και έλεγχο απόδοσης και μετρήσεις κατά την κανονική λειτουργία. Η διαδικασία ελέγχου ολοκληρώνεται με τις δοκιμές των θεμελίων. Οι έλεγχοι πραγματοποιούνται κατά την παραγωγή των υλικών, την κατασκευή της εγκατάστασης και τη λειτουργία του πάρκου. Αντικείμενο των ελέγχων είναι τόσο οι κατασκευές από μπετόν στο χώρο θεμελίωσης, όσο και τα μεταλλικά στοιχεία εντός των θεμελίων. Κατά τη διάρκεια των ελέγχων πραγματοποιείται σειρά δοκιμών, όπως δοκιμές αγωγιμότητας, γεωτεχνικές μελέτες, καταστροφικοί έλεγχοι σε σκυρόδεμα και οπλισμό. Σελίδα 68 of 113

69 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Σελίδα 69 of 113

70 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Μελέτη Περίπτωσης Στη συνέχεια εξετάζεται μελέτη περίπτωσης που αφορά την ενεργειακή μελέτη αιολικού πάρκου ισχύος 6MW στο Νομό Κιλκίς. Στον παρακάτω χάρτη απεικονίζεται χάρτης αιολικού δυναμικού του νομού με τις μέσες ταχύτητες ανέμου σε ύψος 80m από το επίπεδο του εδάφους. Σημειώνεται επίσης η θέση του διαθέσιμου γηπέδου για τη χωροθέτηση: Εικόνα 36: Χάρτης αιολικού δυναμικού Ν. Κιλκίς (πηγή: ΡΑΕ) Σύμφωνα με το χάρτη, μία πρώτη αξιολόγηση καταδεικνύει πως το διαθέσιμο γήπεδο βρίσκεται σε περιοχή που πνέουν άνεμοι σχετικά υψηλής μέσης ταχύτητας, μεγαλύτερη των 5m/s. Στη συνέχεια αξιολογείται το γεωγραφικό ανάγλυφο της ευρύτερης περιοχής: Σελίδα 70 of 113

71 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 37: Γεωγραφικό Ανάγλυφο περιοχής γηπέδου Παρατηρείται πως το διαθέσιμο γήπεδο βρίσκεται σε περιοχή με σχετικά χαμηλό υψόμετρο, χαμηλές κλίσεις εδάφους και χωρίς να βρίσκονται σε εγγύτητα κτίσματα, δάση ή άλλα εμπόδια. Το γεγονός αυτό αξιολογείται θετικά καθώς σε τέτοιες περιπτώσεις είναι λιγότερο πιθανό να προκύψουν ζητήματα μη καταλληλότητας χωροθέτησης του εξοπλισμού εξαιτίας της υψηλής τύρβης και της κλίσης του ανέμου. Στη συνέχεια, και αφού η θέση του γηπέδου θεωρήθηκε κατάλληλη κατά την προκαταρκτική αξιολόγηση, εκκινείται η διαδικασία συλλογής ανεμολογικών δεδομένων από ιστό μετρήσεων που τοποθετείται εντός του γηπέδου όπως φαίνεται παρακάτω: Σελίδα 71 of 113

72 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Εικόνα 38: Όψη διαθέσιμου γηπέδου με τον ανεμολογικό ιστό (πηγή :Google Earth) Σελίδα 72 of 113

73 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Η συλλογή των δεδομένων στη συγκεκριμένη περίπτωση διήρκησε για διάστημα που υπερβαίνει τα 4 έτη, ενώ η διαθεσιμότητα των μετρήσεων υπερβαίνει το 95%. Θεωρείται πως η διάρκεια και η διαθεσιμότητα των μετρήσεων είναι ικανοποιητικές, καθώς αποδίδεται το ανεμολογικό προφίλ της περιοχής καθ όλη τη διάρκεια του έτους, ενώ προκύπτει μια ενδεικτική εικόνα για τις ετήσιες αλλαγές των ανεμολογικών δεδομένων (inter-annual variability). Στη συνέχεια, αφού τα δεδομένα συγκεντρωθούν και απομακρυνθούν λανθασμένες μετρήσεις (για παράδειγμα αρνητικές μετρήσεις ταχύτητας ανέμου ή μετρήσεις διεύθυνσης ανέμου που υπερβαίνουν τις 360 ο ), δημιουργούνται οι χρονοσειρές που θα χρησιμοποιηθούν στους ενεργειακούς υπολογισμούς. Παρακάτω παρουσιάζονται το διάγραμμα συχνότητας μέσης ταχύτητας ανέμου, το κυκλικό διάγραμμα διεύθυνσης του ανέμου, το κυκλικό διάγραμμα τραχύτητας του εδάφους περιμετρικά του ιστού, το προφίλ διάτμησης και το ημερήσιο διάγραμμα μέσης ταχύτητας ανέμου. Οι πληροφορίες αυτές χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για τον υπολογισμό της ετήσιας παραγόμενης ενέργειας (Annual Energy Production) της εγκατάστασης. Εικόνα 39: Κατανομή Weibull μέσης ταχύτητας ανέμου κορυφαίου αισθητήρα Σελίδα 73 of 113

74 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Εικόνα 40: Wind rose αισθητήρων διεύθυνσης ανέμου Σελίδα 74 of 113

75 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 41: Προφίλ Διάτμησης στη θέση του ιστού Εικόνα 42: Ημερήσιο προφίλ μέσης ταχύτητας ανέμου κορυφαίου αισθητήρα Στη συγκεκριμένη περίπτωση, επιλέγονται προς χωροθέτηση δύο ανεμογεννήτριες ονομαστικής ισχύος 3MW έκαστη, με διάμετρο ρότορα 112m και ύψος πλήμνης 84m. Επισημαίνεται πως η επιλογή του εξοπλισμού είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων (οικονομικών, αδειοδοτικών, τεχνικών) που δεν ξεφεύγουν του παρόντος οδηγού. Σελίδα 75 of 113

76 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Η καμπύλη ισχύος της επιλεγείσας ανεμογεννήτριας για πυκνότητα αέρα 1,2kg/m³, όπως δίδεται από τον κατασκευαστή, παρουσιάζεται παρακάτω: Εικόνα 43: Καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας Στη συνέχεια πραγματοποιούνται υπολογισμοί ώστε να προσδιοριστούν εκείνες οι θέσεις οι οποίες πληρούν τα ειδικά περιβαλλοντικά κριτήρια του εξοπλισμού και στις οποίες είναι εφικτή η χωροθέτηση. Μεταξύ των κριτηρίων βρίσκεται η μέγιστη ένταση της περιβάλλουσας τύρβης, η μέγιστη ταχύτητα ανέμου, η κλίση του εδάφους και του ανέμου και το προφίλ διάτμησης. Από τους υπολογισμούς προέκυψε το παρακάτω σχεδιάγραμμα. Σελίδα 76 of 113

77 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 44: Περιοχές στις οποίες υπάρχει δυνατότητα χωροθέτησης Σελίδα 77 of 113

78 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Στις λευκές περιοχές υπάρχει δυνατότητα χωροθέτησης, ενώ στις περιοχές που έχουν σημανθεί με γκρι χρώμα δεν πληρούνται τα προαναφερθέντα κριτήρια. Τελικώς, επιλέγεται η χωροθέτηση να πραγματοποιηθεί στο νότιο τμήμα του γηπέδου εξαιτίας αδειοδοτικών περιορισμών που απέκλειαν το βόρειο τμήμα. Οι τελικές θέσεις του εξοπλισμού απεικονίζονται παρακάτω: Εικόνα 45: Τελικές θέσεις ανεμογεννητριών (πηγή: Google Earth) Στη συνέχεια πραγματοποιείται ένας ενδεικτικός υπολογισμός της ΑΕΡ (Annual Energy Production), ο οποίος αποδίδει μία γενική εικόνα της παραγωγικής δυνατότητας της εγκατάστασης ετησίως. Αρχικά, δεδομένου του ύψους του ιστού μετρήσεων, του ύψους πλήμνης και του δείκτη τραχύτητας υπολογίζεται με την εφαρμογή του λογαριθμικού νόμου η μέση ταχύτητα ανέμου στο ύψος πλήμνης της εκάστοτε ανεμογεννήτριας. Ύστερα, υπολογίζεται γραμμικά η μεταβολή της πυκνότητας αέρα στο υψόμετρο εγκατάστασης δεδομένου ότι στο επίπεδο της θάλασσας λαμβάνεται ίση με 1,225kg/m³. Αυτή η μεταβολή αντιστοιχεί σε ένα ποσοστό απωλειών, εξαιτίας της ανάλογης μεταβολής της καμπύλης ισχύος των ανεμογεννητριών. Σε αυτό το σημείο εισάγεται το στοιχείο της ισχύος του εξοπλισμού. Παρακάτω παρουσιάζεται ο πίνακας ταχύτητας ανέμου ισχύος ο οποίος έχει συμπληρωθεί σύμφωνα με την καμπύλη ισχύος της ανεμογεννήτριας. Σελίδα 78 of 113

79 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Wind Speed Bin (m/s) Power (kw) at sea level 1 0,00 2 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,00 Πίνακας 10 : Ισχύς ανεμογεννήτριας σε σχέση με την ταχύτητα ανέμου Σελίδα 79 of 113

80 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Η κάθε ταχύτητα ανέμου, δηλαδή, αντιστοιχεί σε μία συγκεκριμένη τιμή ισχύος της ανεμογεννήτριας. Από τα χαρακτηριστικά της κατανομής Weibull της χρονοσειράς ανεμολογικών δεδομένων μπορεί να υπολογιστεί η πιθανότητα εμφάνισης της εκάστοτε τιμής της ταχύτητας ανέμου. Εφόσον υπάρχει αντιστοιχία μεταξύ ταχυτήτων ανέμου και ισχύος του εξοπλισμού η πιθανότητα αυτή αφορά και την παραγωγή ισχύος. Παρακάτω ακολουθεί πίνακας με τις πιθανότητες εμφάνισης των ταχυτήτων ανέμου που εντάσσονται στην καμπύλη ισχύος της ανεμογεννήτριας και η αντίστοιχη ισχύς του εξοπλισμού. Κατ επέκταση στην περίπτωση συνεχούς λειτουργίας της εγκατάστασης καθ όλη τη διάρκεια του έτους, η μέση ετήσια αναμενόμενη παραγωγή ανέρχεται σε ,57 MWh. Wind Speed Bin (m/s) Wind Probability (f) Net V for 1 wind turbine Net V for 2 wind turbines 1 8,57% 0,000 0, ,70% 0,000 0, ,29% 2,823 5, ,98% 14,163 28, ,13% 29,785 59, ,99% 48,752 97, ,74% 68, , ,50% 87, , ,33% 102, , ,29% 108, , ,39% 100, , ,63% 80, , ,01% 61, , ,52% 46,654 93, ,13% 34,707 69, ,83% 25,491 50, ,60% 18,494 36, ,43% 13,262 26, ,31% 9,404 18, ,21% 6,597 13, ,15% 4,579 9, ,10% 3,147 6, ,07% 2,142 4,284 Σελίδα 80 of 113

81 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ 24 0,05% 1,444 2, ,03% 0,965 1,929 Πίνακας 11: Αναμενόμενη ισχύς των ανεμογεννητριών Σελίδα 81 of 113

82 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού 2.3 Εργοστάσιο Βιομάζας Σκοπός Οι τεχνολογίες ηλεκτροπαραγωγής με ά ύλη την βιομάζα διακρίνονται δύνανται να παράξουν ενέργεια ως ακολούθως: ΘΕΡΜΟΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙEΣ ΚΑΥΣΗ ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΠΥΡΟΛΥΣΗ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙEΣ ΕΚΘΛΙΨΗ ΒΙΟΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙEΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΥΣΙΜΟ ΑΕΡΙΟ ΥΓΡΟ ΚΑΥΣΙΜΟ ΚΥΚΛΟΣ RANKINE ΚΥΨΕΛΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΑ ΜΕΚ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ & ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Εικόνα 46: Σχεσιακό διάγραμμα τεχνολογιών ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας Σκοπός του παρόντος είναι η ανάπτυξη εκπαιδευτικού περιεχομένου για τον ενεργειακό υπολογισμό ηλεκτροπαραγωγικού σταθμού ΑΠΕ με ά ύλη την βιομάζα. Για τους σκοπούς τους παρούσας και λαμβάνοντας υπόψη το προφίλ τους Αχαϊας (περιοχή στόχος τους εκπαίδευσης του προγράμματος ΗΛΙΟΣ) θα γίνει ανάπτυξη σταθμού αναερόβιας χώνευσης με πρώτη ύλη αγροτοβιομηχανικά απόβλητα και ενεργειακή καλλιέργεια. Εκτός όμως τούτου, το παράδειγμα αυτό ομοιάζει ως προς την μεθοδολογία του εν γένει με θερμοηλεκτρικούς ηλεκτροπαραγωγούς σταθμούς με πρώτη ύλη την βιομάζα, όπερ και το περιεχόμενο της εκπαίδευσης θα μπορεί βασιζόμενο στην αρχή της αναλογίας να χρησιμοποιηθεί και σε άλλες τεχνολογίες βιομάζας. Ο αναγνώστης πρέπει να έχει υπόψη του ότι τα αριθμητικά δεδομένα που χρησιμοποιούνται για τους οικονομικούς υπολογισμούς είναι ενδεικτικά και αποσκοπούν αμιγώς στην εξυπηρέτηση του εκπαιδευτικού στόχου του παρόντος. Παράλληλα, ότι η πλήρης ανάλυση του τρόπου σχεδιασμού και ανάπτυξης ενός σταθμού Α.Χ ξεφεύγει από τους σκοπούς του παρόντος. Σελίδα 82 of 113

83 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εισαγωγικά στοιχεία Γενικά για την Αναερόβια Χώνευση Η αναερόβια χώνευση αποτελεί μία βιοχημική διαδικασία βιοαποδόμησης της οργανικής ύλης απουσία οξυγόνου, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή βιοαερίου, το οποίο δύναται να υποστεί ενεργειακή εκμετάλλευση. Ως τέτοια βασίζεται στον βακτηριδιακό μεταβολισμό υγρών οργανικών ουσιών απουσία οξυγόνου και διαχωρίζεται σε 4 στάδια, διαδοχικώς υλοποιούμενα: 1) Υδρόλυση = οι οργανικές ενώσεις μακράς μοριακής αλυσίδας (πρωτεΐνες, υδατάνθρακες, λίπη) μετατρέπονται σε ενώσεις μικρότερης αλυσίδας. Σημειώνεται ότι η λιγνίνη (βασικό φυτικό συστατικό) δεν διασπάται σε αναερόβιες συνθήκες. 2) Οξεογένεση = μεταβολισμός των μονομερών σε οργανικά οξέα, αλκοόλες, Η2, CO2 3) Οξικογένση = μεταβολισμός των οργανικών οξέων και των αλκοολών σε CH3COOH, Η2, CO2 4) Μεθανογένεση = Σε αναερόβιες συνθήκες είτε το οξικό οξύ μετατρέπεται σε μεθάνιο (οξικολυτικά μεθανογόνα βακτήρια) είτε χρησιμοποιείται το υδρογόνο και το CO2 (μεθανογόνα βακτήρια) Σχηματικά, η παραγωγή του βιοαερίου απεικονίζεται ως κάτωθι: Σελίδα 83 of 113

84 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Βιομάζα Πρωτεΐνες Υδατάνθρακες Λίπη Υδρόλυση Λιπαρά οξέα Αμινοξέα Απλά σάκχαρα Οξεογένεση Οργανικά οξέα μικρού μοριακού Αλκοόλες CH 3 COOH CO2 H2 Οξικογένεση CH 3 COOH Μεθανογένεση Βιοαέριο Εικόνα 47: Σχηματική παραγωγή βιοαερίου Σελίδα 84 of 113

85 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Η συνολική αντίδραση φαίνεται ακολούθως: Οργανική ύλη + νερό -> CH4 + CO2 + NH3 + H2S + νέα κύτταρα + θερμότητα Η παραγωγή του βιοαερίου εξαρτάται από τους εξής παράγοντες: 1) Θερμοκρασία 2) pη 3) Συγκέντρωση θρεπτικών συστατικών 4) Συγκέντρωση τοξικών ουσιών - παρεμποδιστών Η αύξηση της θερμοκρασία οδηγεί σε αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης. Αναλόγως της θερμοκρασίας στον χωνευτήρα, η διαδικασία διακρίνεται σε μεσόφιλη (20-45 o C) και θερμόφιλη (50-65 o C). Ωστόσο, στην πράξη υπάρχουν όρια στην θερμοκρασία, καθώς υψηλές θερμοκρασίες οδηγούν στην παραγωγή αμμωνίας. Επίσης, το ph αποτελεί μείζων παράγοντα λειτουργίας. Υπέρμετρη μείωση του υποδηλώνει ότι τα βακτήρια που συμβάλλουν στην οξεογένεση επιβάλλονται έναντι των άλλων πληθυσμών, όπερ και δεν ευνοείται η μεθανογένεση. Αντιστρόφως, η αύξηση του δηλώνει ότι μειώνεται η οξεογένεση, οπότε και δεν θα υπάρχει διαθέσιμη ύλη για τους πληθυσμούς των επόμενων σταδίων. Τυπικά, το ph ξεκινά από το 6 στην φάση της υδρόλυσης και καταλήγει στο 7 στα επόμενα στάδια. Ως προς του χωνευτήρες και την ανάπτυξη της διαδικασίας για το υπόστρωμα του οποίου είναι επιθυμητή η επεξεργασία αυτή την στιγμή διατίθενται διάφορες τεχνολογίες μονού ή διπλού σταδίου, κατακόρυφου ή οριζόντιου τύπου, συνεχούς ή μη ροής, συνεχούς ή μη ανάδευσης κλπ. Σχετικώς με την υγρασία του διαχειριζόμενου υποστρώματος, τα συστήματα Α.Χ. διαχωρίζονται σε: Υγρά συστήματα, στα οποία η περιεκτικότητα σε TS ανέρχεται έως 15-20% και η τυπική της τιμή είναι συνήθως 10%. Ξηρά συστήματα, στα οποία η περιεκτικότητα σε TS είναι άνω του 20% με τυπική τιμή το 30%. Τέτοια συστήματα είναι υψηλότερης τεχνολογίας από τα υγρά. Στην Ελλάδα συνήθως οι περισσότερες εφαρμογές βιομάζας από ενεργειακές καλλιέργειας και αγροτοβιομηχανικά απόβλητα βρίσκουν εφαρμογή υγρά συστήματα με διπλού σταδίου μεσόφιλους αντιδραστήρες τύπου CSTR (continuous flow stirred-tank reactor). Σελίδα 85 of 113

86 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Εικόνα 48: Χωνευτήρας συνεχούς ανάδευσης (CSTR continuous flow stirred-tank reactor) πηγή: wikipedia Σελίδα 86 of 113

87 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Εικόνα 49: Εγκατάσταση Α.Χ. Neumünster Γερμανία πηγή: Wikipedia Εικόνα 50: Εγκατάσταση Α.Χ. Τελ Αβίβ Ισραήλ για την επεξεργασία ύδατος τεχνολογίας Upflow anaerobic sludge blanket (UASB) πηγή: Wikipedia Σελίδα 87 of 113

88 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Ισοζύγιο μάζας & Ενέργειας Σε μία εγκατάσταση Α.Χ. οι ροές υλικών (streams) απεικονίζονται ακολούθως: ΒΙΟΜΑΖΑ ΝΕΡΟ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Α.Χ. ΚΑΥΣΑΕΡΙΑ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ & ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΎΛΗΣ ΔΙΟΡΘΩΤΙΚΑ ΝΕΡΟ Εικόνα 51: Ροές υλικών σε εγκατάσταση Α.Χ. Για να γίνει αντιληπτή η τάξη μεγέθους τους εισερχόμενης μάζας και τους μάζας που δύναται τελικώς να αξιοποιηθεί ενεργειακά, παρατίθεται ακολούθως ένα ενδεικτικό διάγραμμα Shankey. Σημειώνοντας ότι τους τρέχουσες τεχνολογικές εφαρμογές με ενεργειακή αξιοποίηση του βιοαερίου σε ΜΕΚ, μόνον το CH4 δύναται να αξιοποιηθεί ενεργειακά, παρατηρείται ότι πολύ μικρό μέρος τους FM είναι τελικώς αξιοποιήσιμη. Κύρια μάζα τους FM αποτελείται από νερό, συστατικό τους, που είναι απαραίτητο για την Α.Χ. Προσοχή! Η παράμετρος αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς δείχνει ότι η μεταφορά βιομάζας από μεγάλες αποστάσεις μπορεί να έχει υψηλό κόστος. Η ενεργειακή απόδοση τους μονάδας συγκεκριμένης διαδικασίας εξαρτάται από: 1. Την ποσότητα των VS Σελίδα 88 of 113

89 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ 2. Από την απόδοση που έχει η οργανική ύλη σε CH4 (BMP Biological Methane Potential). 3. Από τον χρόνο παραμονής του υποστρώματος στον χωνευτήρα. Συνεπώς, δεν έχουν όλα τα υποστρώματα την ίδια ενεργειακή παραγωγικότητα. Τους αποκλίσεις υπάρχουν ακόμα και στα ίδια φαινομενικά υποστρώματα, καθώς η φύση λειτουργεί με στοχαστικό τρόπο, οπότε μοιραία και τα δημιουργήματα τους έχουν στοχαστικές ιδιότητες. Εικόνα 52: Ενδεικτικό διάγραμμα Shankey σε σύστημα Α.Χ. βιομάζας Ο προσδιορισμός τους ενεργειακής απόδοσης γίνεται είτε πειραματικά είτε βιβλιογραφικά και αποσκοπεί στον προσδιορισμό των μέσων ποσοτήτων VS και biogas yield. Ωστόσο, τα ευρήματα Σελίδα 89 of 113

90 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού έχουν συχνά αποκλίσεις και επομένως απαιτείται ισχυρά προσοχή στην χρήση τους. Ακολουθεί πίνακας με ενδεικτικά μεγέθη: Σελίδα 90 of 113

91 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Είδος Av. TS [% FM] VS [% TS] N [% TS] P205 [% TS] K20 [% TS] Mi n Ma x Av. Mi n Ma x Av. M in M ax Av. M in M ax Av. M in Ma x Av. BMP [Nm 3 / tvs] Mi n Ma x Κόπρο ς βοοειδ ών ,5 2, 6 6, 7 1,7 0, 5 3, 3 6,3 5, Λύμμα τα χοιροσ τασίου , , ,4 3 7, Στρωμ νή πτηνοτ ροφείο υ 40 Δ. Α. Δ. Α. 75 Δ. Α. Δ. Α. 18, 4 Δ. Α. Δ. Α. 14, 3 Δ. Α. Δ. Α. 13, 5 Δ. Α. Δ. Α Ενσίρ ωμα καλαμ ποκιού ,8 2, 5 3, 3 1,8 1, 5 1, 9 4,3 4, 2 7, Ενσίρ ωμα δημητ ριακών (ολόκλ ηρος ο καρπό ς) , ,8 0 3, 2 5 Δ. Α. 0 6, Ενσίρ ωμα χορτον ομής , 5 6, 9 2,2 1, 8 3, 7 8,9 6, 9 19, Κλαδέ ματα 12 Δ. Α. Δ. Α. 87 Δ. Α. Δ. Α. 2,5 Δ. Δ. Α. 4 Δ. Δ. Α. 0 Δ. Δ. Α Δ. Α. Δ. Α. Σελίδα 91 of 113

92 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Α. Α. Α. Υπολλ έιματα βιομηχ ανίας τομάτα ς 22 Δ. Α. Δ. Α. 96 Δ. Α. Δ. Α. 0,0 3 Δ. Α. Δ. Α. 0,0 1 Δ. Α. Δ. Α. 0,0 1 Δ. Α. Δ. Α Δ. Α. Δ. Α. Απόβλ ητα καλλιέ ργειας τομάτα ς 35 Δ. Α. Δ. Α. 80 Δ. Α. Δ. Α. Δ. Α. Δ. Α. Δ. Α. Δ. Α. Δ. Α. Δ. Α. Δ. Α. Δ. Α. Δ. Α. 56 Δ. Α. Δ. Α. Τυρόγ αλο 6, 1 Δ. Α. Δ. Α. 90 Δ. Α. Δ. Α. 0,0 3 Δ. Α. Δ. Α. 0,0 2 Δ. Α. Δ. Α. 0,0 3 Δ. Α. Δ. Α Δ. Α. Δ. Α. Πίνακας 12: Ενδεικτικές τιμές υποστρωμάτων / Δ.Α. = Δεν Αναφέρεται, Πηγή: FNR, KTBL website, Valorgas, Cropgen Σελίδα 92 of 113

93 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Βασικές αρχές σχεδιασμού Η ανάπτυξη και ο σχεδιασμός τους ηλεκτροπαραγωγικού σταθμού βιομάζας αποτελεί ένα σύνθετο τεχνοοικονομικό πρόβλημα. Ως τους την αμιγή του τεχνική συνιστώσα, η συνθετότητα του έγκειται ότι αποτελεί σε σειρά σύνδεση τους χημικής μονάδας (process industry) με μία μονάδα παραγωγής ενέργειας (power industry). Ως τους την συνολική εικόνα, η συνθετότητα έγκειται τους πολλαπλές και αλληλοεξαρτώμενες οριακές συνθήκες που πρέπει να καλύψει ο σχεδιασμός, τους απεικονίζονται ακολούθως: Περιβαλλοντική & Χωροταξική νομοθεσία Κίνητρα Περιβαλλοντικά σύνδρομα Ά ύλη Σχεδιασμός Διάθεση ενέργειας & παραπροϊόντ Πρότυπα και τεχνικοί κανονισμοί Reliability & Durability Εικόνα 53: Οριακές συνθήκες σχεδιασμού ηλεκτροπαραγωγικού σταθμού με ά ύλη την βιομάζα Σελίδα 93 of 113

94 Σειρά Πληροφοριακού και Εκπαιδευτικού Υλικού Συνήθη προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν επαρκώς κατά τον σχεδιασμό τους μονάδας Α.Χ. παρουσιάζονται ακολούθως: Α/Α Συνιστώσα Παραδείγματα Επεξηγήσεις 01 Περιβαλλοντική & Χωροταξική νομοθεσία Ισοζύγια αζώτου και αντιστοίχιση τους σε καλλιεργούμενες εκτάσεις, τήρηση αποστάσεων από ζώνες, συμμόρφωση με όρια ρύπων, τήρηση όρων δόμησης, εφαρμογή μεγάλων εκτάσεων ενεργειακών καλλιεργειών. 02 Κίνητρα Η μονάδα στηρίζει και στηρίζεται από την τοπική κοινωνία, επομένως θα πρέπει να βρεθούν κατάλληλα κίνητρα για την κινητοποίηση τους τοπικής κοινωνίας. Τέτοιες δράσεις είναι η συμβολαιακή γεωργία, η συμμετοχή τοπικών συνεταιρισμών στο μετοχικό σχήμα, η διάθεση του υπολείμματος δωρεάν τους αγρότες κλπ. 03 Περιβαλλοντικά σύνδρομα 04 Διάθεση ενέργειας & παραπροϊόντων 05 Reliability & Durability 06 Πρότυπα και τεχνικοί κανονισμοί Τυπικές περιπτώσεις not on planet earth, not on my election year κλπ, ειδικώς όταν η μονάδα διαχειρίζεται επικίνδυνα απόβλητα ή έχει μεγάλη ισχύ. Αφορά κυρίως την θερμική ενέργεια, η διάθεση τους οποίας σε εγγύς μονάδες είναι δύσκολη, απουσία σχετικού πλαισίου. Τους, την βελτιστοποίηση διαχείρισης ενέργειας. Άλλο μείζον σημείο είναι η διάθεση των παραπροϊόντων (τρόπος και σημείο διάθεσης). Οι μονάδες Α.Χ. δεν έχουν μεγάλο ιστορικό λειτουργίας. Για την καθεαυτή διαδικασία τους Α.Χ. δεν έχουν εκδοθεί πρότυπα σε επίπεδο Ε.Ε. Ωστόσο, τους χώρες (Ιταλία, Γερμανία) έχουν εκδώσει εθνικά πρότυπα, τα οποία δεν έχουν εναρμονιστεί σε ελληνικό επίπεδο. 07 Ά ύλη Τεχνικοοικονομική βελτιστοποίηση logistics, εργαστηριακός και ποσοτικός έλεγχος εισερχομένης ά ύλης, βέλτιστη τεχνικοοικονομική επιλογή του μίγματος διαδικασίας και ά ύλης, πρόβλεψη κύκλου καλλιεργειών κλπ. Πίνακας 13: Συνήθη προβλήματα κατά το σχεδιασμό μονάδας Α.Χ. Σελίδα 94 of 113

95 Οδηγός Τεχνολογιών Ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Μελέτη Περίπτωσης - Ενεργειακή Μελέτη Η μελέτη περίπτωσης ασχολείται με τον ενεργειακό υπολογισμό ηλεκτροπαραγωγικής μονάδας Α.Χ. στην περιοχή της Αχαΐας. Αρχικώς, από τους χάρτες δυναμικού βιομάζας λαμβάνονται τα ακόλουθα: Εικόνα 54: Δυναμικό Βιομάζας (σε tn) για απόσταση 10 km από το σημείο της μονάδας Α.Χ. Εικόνα 55: Δυναμικό Βιομάζας (σε tn) για απόσταση 20 km από το σημείο της μονάδας Α.Χ. Σελίδα 95 of 113