ΥΔΡΟΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τομέας Υδατικών Πόρων ΥΔΡΟΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Νίκος Μαμάσης, Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ Δημήτρης Κουτσογιάννης, Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΜΠ Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αθήνα

2 ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Εικόνα εξωφύλλου Νίκος Μαμάσης και Δημήτρης Κουτσογιάννης Τομέας Υδατικών Πόρων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα 3

4 ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 4

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ (/4) Αιολική ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου Χρησιμοποιείται από την αρχαιότητα στη ναυσιπλοΐα Πρόκειται για ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, με ανεξάντλητη και χωρίς κόστος πρώτη ύλη που δεν ρυπαίνει το περιβάλλον Αξιοποιείται στην παραγωγή μηχανικής (αλευρόμυλοι, άντληση υπόγειωννερών, αποστράγγιση)και ηλεκτρικής (ανεμογεννήτριες) ενέργειας Το όνομα προέρχεται από την ελληνική μυθολογία. Ο Αίολος είχε οριστεί από τον Δια κλειδοκράτορας τον ανέμων και τους προκαλούσε ή τους σταματούσε κατά βούληση. Οι οκτώ άνεμοι ήταν: Βορέας, Καικίας, Απηλιώτης, Εύρος, Νότος, Λιψ, Ζέφυρος, Σκίρων Κατόπιν φτάσαμε σε ένα νησί, την Αιολία, ένα νησί που ζούσε ο Αίολος, γιός του Ιπποτάδη, φίλος των αθάνατων θεών. Το νησί ήταν πλωτό ζωσμένο από άρρηκτα χάλκινα τείχη, που υψώνονταν κατακόρυφα στα βράχια (Οδύσσεια.) 5

6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ (/4) Η πρώτη χρήση αιολικής ενέργειας έγινε στη ναυσιπλοΐα, ενώ οι πρώτοι ανεμόμυλοι χρησιμοποιήθηκαν για άλεσμα δημητριακών και άντληση νερού. Οι αρχαιότεροι ανεμόμυλοι (κατακόρυφου άξονα) κατασκευάστηκαν στην Περσία τον 6 ο έως τον 9 ο αιώνα μ.χ., ενώ η πρώτη γραπτή αναφορά γίνεται στην Κίνα το 3 ο αιώνα μ.χ. Στην Ευρώπη αναπτύχθηκαν διάφορα είδη ανεμόμυλου (οριζόντιου άξονα) από τον 3 ο αιώνα και πιθανόν οι νερόμυλοι να αποτέλεσαν πρότυπο για την κατασκευή τους Το 7 ο αιώνα η τεχνολογία μεταφέρεται στην Αμερική όπου οι ανεμόμυλοι χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για άντληση νερού Στην Ελλάδα (ειδικότερα στο Αιγαίο) η χρήση ανεμομύλων χρονολογείται από το 3ο αιώνα. Το 96 υπήρχαν ανεμόμυλοι στο Οροπέδιο Λασιθίου, 5 στην υπόλοιπη Κρήτη, και 6 στη Ρόδο Ο πρώτος ανεμόμυλος για παραγωγή ηλεκτρισμού κατασκευάστηκε το 888 στο Cleveland του Ohio. Είχε διάμετρο πτερωτής 7 μέτρα και ισχύ kw Σήμερα η Δανία χώρα πλούσια σε αιολικό δυναμικό έχει τα πρωτεία στην κατασκευή αλλά και στην χρήση ανεμογεννητριών Πριν 3 χρόνια, μια τυπική ανεμογεννήτρια ήταν της τάξης των 5 kw. Σήμερα, οι αιολικές μηχανές που κατασκευάζονται είναι της τάξης των 75-5 kw 6

7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ (3/4) Πλεονεκτήματα αιολικής ενέργειας Ανεξαρτησία από ορυκτά καύσιμα (δεν επιβαρύνει το περιβάλλον με αέριους ρύπους, παρέχει προστασία έναντι της αστάθειας τιμών των ορυκτών καυσίμων) Ιδιαίτερα φιλική στο περιβάλλον με αμελητέες επιδράσεις στη πανίδα και ελάχιστες απαιτήσεις γης Τεχνολογικά ώριμη, οικονομικά ανταγωνιστική, γρήγορη και τυποποιημένη συναρμολόγηση και εγκατάσταση Χαμηλό λειτουργικό κόστος Ελεύθερη, άφθονη και ανεξάντλητη πηγή ενέργειας Βοηθά στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος μειώνοντας απώλειες μεταφοράς ενέργειας Ενισχύει την ενεργειακή ανεξαρτησία κάθε χώρας Δημιουργεί θέσεις απασχόλησης στην περιφέρεια Σύστημα παραγωγής ενέργειας με μικρές απώλειες Ανεξάρτητη από κεντρικά δίκτυα διανομής 7

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ (4/4) Μειονεκτήματα αιολικής ενέργειας Ο εκπεμπόμενος θόρυβος προέρχεται από τα περιστρεφόμενα μηχανικά τμήματα και από την περιστροφή των πτερυγίων. Εκτιμάται σε περίπου 44 db σε απόσταση m για ταχύτητα ανέμου 8 m/s Η οπτική όχληση είναι κάτι υποκειμενικό αλλά κάποιος που είναι ευνοïκά διακείμενος απέναντι στην ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας, αποδέχεται οπτικά τις ανεμογεννήτριες. Δεδομένου ότι οι ανεμογεννήτριες είναι ορατές από απόσταση, πρέπει να γίνεται προσπάθεια ενσωμάτωσης τους στο τοπίο. Η επίδραση στις γεωργικές και κτηνοτροφικές δραστηριότητες. Το 99% της γης που φιλοξενεί ένα αιολικό πάρκο είναι διαθέσιμο για άλλες χρήσεις. Το ποσοστό των πουλιών που σκοτώνονται ετησίως από πρόσκρουση σε ανεμογεννήτριες είναι ασήμαντο (.5%) σχετικά με το αυτό που οφείλεται σε πρόσκρουση με οχήματα και τις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (6%). Πάντως θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στη χωροθέτηση τυχόν προστατευόμενες περιοχές και να εξετάζεται η τοποθέτηση συστήματος υπερήχων Η απρόβλεπτη διακύμανση ενέργειας που δίνουν οι αιολικές μηχανές Σχετικά υψηλό κόστος έρευνας του αιολικού δυναμικού και εγκατάστασης της μηχανής 8

9 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ (/4) Πύργος των Ανέμων Το επίσημο όνομα είναι Ωρολόγιο του Κυρρήστου, (το κατασκεύασεο Ανδρόνικος ο Κύρρηστος τον ο αιώνα π.χ.). Είχε ανεμοδείκτη, ηλιακό ρολόι και ίσως υδραυλικό ρολόι) Εικόνα. Πύργος των ανέμων Εικόνα. Αναπαράσταση του Πύργου των Ανέμων (J. Stuart & N.Revett) 9

10 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ (/4) Βορέας (Τραμουντάνα) Σκίρων (Μαΐστρος) Καικίας (Γραίγος) Ζέφυρος (Πουνέντες) Εικόνα 3. Οι οκτώ βοηθοί του Αιόλου απεικονίζονται στον πύργο των Αέρηδων (κτίσμα του ου π.χ.αιώνα) στην Πλάκα. Απηλιώτης (Λεβάντες) Λιψ (Γαρμπής) Νότος (Όστρια) Εύρος (Σιρόκος)

11 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ (3/4) Εικόνα 4. Αντίγραφο του πρώτου Περσικού μύλου Εικόνα 5. Μεσογειακός Εικόνα 6. Αμερικάνικος (8 oς αιώνας)

12 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ (4/4) Εικόνα 7. Δανικός Εικόνα 8. Ολλανδικός Εικόνα 9. Αγγλικός

13 ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (/5) Θεωρητική αιολική ισχύς I= E/ t= (/) m /t = (/) ρ LA / t= (/) ρα 3 I αιολική ισχύς (W) E κινητική eνέργεια (J) t χρόνος (s) m μάζα αέρα (kg) ταχύτητα ανέμου (m/s) ρ πυκνότητα αέρα (kg/m 3 ) A επιφάνειααναφοράς(m ) L διαδρομή ανέμου σε χρόνο t(m) Ονομαστική ισχύς ανεμογεννήτριας A (m ) (m/s) L (m) I= (/) Cη Μ η Ε ρα 3 C συντελεστής ισχύος η Μ βαθμός απόδοσης μηχανικού συστήματος η H βαθμός απόδοσης ηλεκτρομηχανικής μετατροπής 3

14 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (kw) 4 3 ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (/5) Πυκνότητα αέρα:.5 kg/m ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) Διάγραμμα. Θεωρητική αιολική ισχύς συναρτήσει της ταχύτητας Διάμετρος: 3m Διάμετρος: m Διάμετρος: m D = m I =.48 kw D = m I =48. kw D = mi =4.8 MW Θεωρητική Ισχύς (kw). Διάμετρος (m) Διάγραμμα. Θεωρητική ισχύςσυναρτήσει της διαμέτρου (ταχύτητα m/s) 4

15 ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (3/5) ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) Διάγραμμα 3. Θεωρητική αιολική ενέργεια για D= m ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) Ισοκατανομή ταχυτήτων ανέμου Συνολική ενέργεια: 99 kwh/y Μέση τιμή ταχύτητας: m/s Ενέργεια μέσης τιμής: 43 kwh/y Συμμετρική κατανομή ταχυτήτων ανέμου Συνολική ενέργεια: 74 kwh/y Μέση τιμή ταχύτητας:.5 m/s Ενέργεια μέσης τιμής: 4877 kwh/y Τυπική κατανομή ταχυτήτων ανέμου Συνολική ενέργεια: 57 kwh/y Μέση τιμή ταχύτητας: 7. m/s Ενέργεια μέσης τιμής: 58 kwh/y 5

16 ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (4/5) Όριο Betz Σε αυτοκινητόδρομο με συνεχή ροή τα αυτοκίνητα εισέρχονται σε σταθμό διοδίων με ταχύτητα = m/s και εξέρχονται με ταχύτητα () που είναι συνάρτηση της τιμής των διοδίων Τ(<=T<= EURO)και δίδεται από τη σχέση (m/s)=-t. Ποια είναι η τιμή των διοδίων που μεγιστοποιεί τις ημερήσιες εισπράξεις; Διόδια Ταχύτητα εισόδου: = m/s Ταχύτητα εξόδου: =-T m/s Τιμή (Τ): - EURO Εισπράξεις(EURO/h) ΔΙΟΔΙΑ (EURO) ΤΑΧΥΤΗΤΑ (m/s) Διάγραμμα 4. Παράδειγμα ορίου Betz ΕΙΣΠΡΑΞΕΙΣ (EURO) ΤΑΧΥΤΗΤΑ (m/s) 6

17 Κινητική ενέργεια εισόδου Ε =.5* m* ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (5/5) Όριο Betz A A Κινητική ενέργεια εξόδου Ε =.5* m * de = ( ).5* m * m = ρ * Α * L dm = ρ * Α * dt Ισχύς με βάση την κινητική ενέργεια I A di A d =.5* ρ * Α * = 3* ) * * de dm = I.5* ( ) I.5* * * * ( dt A = A = ρ Α A dt ( ( ) A =.5* + I A MAX = 6 = *.5* ρ * Α* = 3 Ισχύς / ) 7

18 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (/3) Οριζοντίου άξονα Εικόνα. Αιολικές μηχανές οριζοντίου άξονα 8

19 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (/3) Υπεράκτια αιολικά πάρκα Εικόνα. Υπεράκτια αιολικά πάρκα 9

20 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (3/3) Εικόνα. Υπεράκτιο αιολικό πάρκο Κοπεγχάγη

21 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (4/3) Κατακορύφου άξονα Η κατακόρυφη ανεμογεννήτρια του σχήματος είναι η πιο διαδεδομένη. Ονομάζεται Darrieus από τον Γάλλο μηχανικό που την κατοχύρωσε το 93. Εικόνα 3. Αιολικές μηχανές κατακόρυφου άξονα Πλεονεκτήματα δεν χρειάζονται σύστημα προσανατολισμού η ηλεκτρική γεννήτρια είναι στο έδαφος Μειονεκτήματα εκμεταλλεύονται μικρότερες ταχύτητες ανέμου (αφού είναι κοντά στο έδαφος) έχουν μικρότερο συντελεστή ισχύος η στερέωση στο έδαφος απαιτεί εγκαταστάσεις που καταλαμβάνουν μεγάλο εμβαδόν

22 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (5/3) Κύρια μέρη Πύργος.Είναι κυλινδρικής μορφής κατασκευασμένος από χάλυβα και συνήθως αποτελείται από δύο η τρία συνδεδεμένα τμήματα. Θάλαμος που περιέχει τα μηχανικά υποσυστήματα(κύριος άξονας, σύστημα πέδησης, κιβώτιο ταχυτήτων ηλεκτρογεννήτρια) Ο κύριος άξονας με το σύστημα πέδησης είναι παρόμοιος με τον άξονα των τροχών ενός αυτοκινήτου με υδραυλικά δισκόφρενα. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι παρόμοιας κατασκευής με εκείνο του αυτοκινήτου με την διαφορά ότι έχει μόνον μια σχέση. Η ηλεκτρογεννήτρια είναι παρόμοια με αυτές που χρησιμοποιούνται στους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη. Ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου ασφαλούς λειτουργίας. Αποτελούνται από ένα η περισσότερα υποσυστήματα μικροελεγκτώνκαι εξασφαλίζουν την εύρυθμη και ασφαλή λειτουργία της ανεμογεννήτριας σε όλες τις συνθήκες. Πτερύγια. Είναι κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά (υαλονήματακαι ειδικές ρητίνες), σχεδιασμένα για να αντέχουν σε μεγάλες καταπονήσεις

23 . Διάμετρος της πτερωτής D. Ύψος τοποθέτησης Η Συνήθως <Η/D<.5 3. Πλήθος των πτερυγίων Έχουν επικρατήσει οι αιολικές μηχανές με 3 πτερύγια. Με λιγότερα πτερύγια ( ή ) απαιτείται μεγαλύτερη ταχύτητα περιστροφής για το ίδιο ενεργειακό αποτέλεσμα που συνεπάγεται περισσότερο θόρυβο και φθορές, με μόνο πλεονέκτημα το μικρότερο κόστος. 4. Είδος των πτερυγίων(πάχος, υλικό) Οι πολύ συμπαγείς πτερωτές (πολλά ή φαρδιά πτερύγια) σημαίνει ότι ξεκινάνε τη λειτουργία τους με μικρές ταχύτητες ανέμου αλλά θα πρέπει να βγαίνουν εκτός λειτουργίας στις μεγάλες ταχύτητες Κλασικό παράδειγμα τέτοιων ανεμομύλων αποτελούν οι αμερικανικοί του 8 ου αιώνα οι οποίοι αντλούσαν σταθερά μικρή ποσότητα νερού όλο το χρόνο. 5. Ονομαστική ταχύτητα περιστροφής Συνδέεται με παράγοντες όπως η συχνότητα του ηλεκτρικού δικτύου και η αντοχή των πτερυγίων σε φυγόκεντρες τάσεις. 6. Συντελεστής ισχύος C Υπολογίζεται από το πηλίκο της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος προς την εισερχόμενη ενέργεια του αέρα. Ουσιαστικά είναι ο αεροδυναμικός βαθμός απόδοσης πτερωτής και έχει μέγιστο όριο την τιμή C<=6/7=.593 (όριο Betz, 99). Πρακτικά στην περίπτωση καλού σχεδιασμού ο συντελεστής κυμαίνεται στο Ονομαστική ισχύς ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (6/3) Χαρακτηριστικά μεγέθη 3

24 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (7/3) Καμπύλες ισχύος ανεμογεννήτριας 3 5 ΙΣΧΥΣ (kw) 5 5 Ταχύτητα που σταματάει η πτερωτή να περιστρέφεται για να μην καταστραφεί Ταχύτητα που η γεννήτρια αρχίζει να παράγει ρεύμα ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) Διάγραμμα 5. Καμπύλες ισχύος ανεμογεννήτριας Οι καμπύλες ισχύος συνήθως εκτιμώνται εμπειρικά, από μετρήσεις πεδίου της ταχύτητας ανέμου με ανεμόμετρο και της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Υπάρχουν αβεβαιότητες στην εκτίμηση των καμπυλών που σχετίζονται με: (α) τη μέτρηση της ταχύτητας και (β) την ποσότητα του αέρα που εισέρχεται στην πτερωτή 4

25 Συντελεστής ισχύος (Power coefficient) Ο λόγος της ισχύος που παράγει η ανεμογεννήτρια σε κάθε ταχύτητα ανέμου, προς τη θεωρητική..5 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (8/3).5 m/s Διάγραμμα 6. Διακύμανση συντελεστή ισχύος τυπικής ανεμογεννήτριας σε σχέση με την ταχύτητα ανέμου Τα χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας όπως η έναρξη-λήξη λειτουργίας και μέγιστη τιμή (.45) είναι επιλογή των κατασκευαστών της 5

26 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (9/3) Μοντέλο Zeus 5/4 Skystream 3.7 Μέγιστη ισχύς (kw) 5.4 Διάμετρος (m) Ύψος (m) Ταχύτητες λειτουργίας (m/s) Ταχύτητα μέγιστης ισχύος (m/s) 5 3 Συντελεστής μέγιστης ισχύος.6.7 Τιμή 335. $ -8. $ Ισχύς (kw) 5 Ισχύς (kw).5 Εικόνα 4. Ανεμογεννήτρια 5 5 Ταχύτητα ανέμου (m/s) 5 5 Ταχύτητα ανέμου (m/s) Διάγραμμα 7. Καμπύλες ισχύος ανεμογεννητριών 6

27 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (/3) Επιλογή θέσης ανεμογεννητριας Μελέτη για τον προσδιορισμό της διεύθυνσης και της ταχύτητας των επικρατούντων ανέμων Εντοπισμός των φυσικών και τεχνητών εμποδίων Εκτίμηση της τραχύτητας του εδάφους Καταγραφή του υπάρχοντος στην περιοχή ηλεκτρικού δικτύου Εκτίμηση της ευκολίας υλοποίησης κατασκευών (πρόσβαση στη θέση, μορφολογία εδάφους) ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Όταν ο αέρας έχει φύγει από ανεμογεννήτρια έχει χάσει την ενέργειά του και έτσι στην περίπτωση των αιολικών πάρκων οι αποστάσεις μεταξύ δύο ανεμογεννητριών πρέπει να είναι 5-9 φορές την διάμετρο της πτερωτής (στη διέυθυνση των επικρατούντων ανέμων) και 3-5 φορές (κάθετα στη επικρατούσα διεύθυνση). Γενικά σεαιολικάπάρκαοιαπώλειεςκυμαίνονται από5έως5% Όταν ο αέρας βρει άνοιγμα, η ταχύτητα του μπορεί να αυξηθεί έως και 5% (tunnel effect) Η ταχύτητα ανέμου αυξάνεται στις κορυφές λόφων(hill effect) 7

28 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (/3) Επιλογή θέσης ανεμογεννητριας Μελέτη για τον προσδιορισμό της διεύθυνσης και της ταχύτητας των επικρατούντων ανέμων Εντοπισμός των φυσικών και τεχνητών εμποδίων Εκτίμηση της τραχύτητας του εδάφους Καταγραφή του υπάρχοντος στην περιοχή ηλεκτρικού δικτύου Εκτίμηση της ευκολίας υλοποίησης κατασκευών (πρόσβαση στη θέση, μορφολογία εδάφους) ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Όταν ο αέρας έχει φύγει από ανεμογεννήτρια έχει χάσει την ενέργειά του και έτσι στην περίπτωση των αιολικών πάρκων οι αποστάσεις μεταξύ δύο ανεμογεννητριών πρέπει να είναι 5-9 φορές την διάμετρο της πτερωτής (στη διεύθυνση των επικρατούντων ανέμων) και 3-5 φορές (κάθετα στη επικρατούσα διεύθυνση). Γενικά σε αιολικά πάρκα οι απώλειες κυμαίνονται από 5 έως 5% Όταν ο αέρας βρει άνοιγμα, η ταχύτητα του μπορεί να αυξηθεί έως και 5%(tunnel effect) Η ταχύτητα ανέμου αυξάνεται στις κορυφές λόφων(hill effect) Εικόνα 5. Φαινόμενο πάρκου 8

29 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (/3) Επικρατών άνεμος Περιοχή έντονα διαταραγμένης ροής ανέμου Η Η Η Η Η Εικόνα 6. Επιλογή θέσης ανεμογεννήτριας σε σχέση με εμπόδιο Σημαντική επίδραση έχει η ανεμοπερατότητα (porosity) του εμποδίου. Η ανεμοπερατότητα ενός συμπαγούς εμποδίου (π.χ. κτιρίου) έχει την τιμή, ενώ στην περίπτωση μη συμπαγούς εμποδίου (π.χ. συγκροτήματος κτιρίων) υπολογίζεται ως το πηλίκο της ανοικτής επιφάνειας προς τη συνολική επιφάνεια. 9

30 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (3/3) Επίδραση εμποδίου ύψους m και μήκους 6 m σε ανεμογεννήτρια ύψους 5 m και σε απόσταση 3 m Εικόνα 7. Ποσοστό ταχύτητας ανέμου Εικόνα 8. Ποσοστό αιολικής ενέργειας 3

31 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (/6) Εγκατεστημένη ισχύς ΧΩΡΑ ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ (MW) 4 5 Γερμανία Ισπανία ΗΠΑ Δανία Ινδία Ιταλία Ολλανδία 78 9 Ιαπωνία Βρετανία Κίνα Σύνολο ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Δανία 9% Αυστραλία.5% Γερμανία 5.5% Ιρλανδία % ΗΠΑ.4% Ελλάδα.35% Παγκόσμια εγκατεστημένη αιολική ισχύς 479 MW 5898 MW 3

32 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (/6) ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΡΓΟΥ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εκτίμηση αιολικού δυναμικού Εκτίμηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων Άδεια κατασκευής Σχεδιασμός έργου Κατασκευή Ανεμογεννήτριας Οδικής πρόσβασης Γραμμής μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος Υποσταθμού ηλεκτρικού ρεύματος 3

33 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (3/6) Κατάσταση στην Ελλάδα (7) Εικόνα 9. Κατάσταση στην Ελλάδα το 7 33

34 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (4/6) Μέτρηση Αιολικού δυναμικού μετρήσεις αιολικού δυναμικού απαραίτητες για σχεδιασμό και καλό προγραμματισμό λειτουργίας αιολικού σταθμού εκτίμηση του διαθέσιμου αιολικού δυναμικού μιας περιοχής πολύ ευαίσθητη στις διακυμάνσεις ταχύτητας του ανέμου κατάλληλη επιλογή θέσης μέτρησης, εξειδικευμένο προσωπικό και εμπειρία εγκατάσταση μεταλλικού ιστού ύψους τουλάχιστον mστον οποίο τοποθετούνται ένα ή περισσότερα ανεμόμετρα και ανεμοδείκτες για τουλάχιστον έτος Χωροθέτηση εντοπισμός κατάλληλων περιοχών (με πλούσιο αιολικό δυναμικό) με σκοπό την μεγαλύτερη δυνατή χωρική συγκέντρωση αιολικών πάρκων καθιέρωση κανόνων χωροθέτησης με σκοπό την αρμονική ένταξη τους στο φυσικό και ανθρωπογενές περιβάλλον και περιορισμό των συγκρούσεων χρήσεων γης ορισμός περιοχών Αιολικής προτεραιότητας 34

35 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (5/6) Αιολικό δυναμικό Εικόνα. Χάρτης αιολικού δυναμικού Ελλάδας 35

36 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (6/6) Αιολικό δυναμικό Εικόνα. Αιολικό δυναμικό Ελλάδας 36

37 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (/4) Κλίμακα Beaufort Ταχύτητα ανέμου B Χαρακτηρισμός m/s km/h Κόμβοι(mi/hr) Άπνοια -. < < Σχεδόν άπνοια < Πολύ ασθενής Ασθενής Σχεδόν μέτριος Μέτριος Ισχυρός Πολύ ισχυρός Θυελλώδης Πολύ θυελλώδης Θύελλα Ισχυρή θύελλα Τυφώνας >= 3.7 >= 8 >= 64 Η αντιστοιχία της ταχύτητας ανέμου u σε m/s, σε ύψος m, με τον αριθμό Beaufort Β, δίνεται απότη σχέση: u =.836 B 3/ 37

38 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (/4) u = u ln ln z z z z Υψομετρική μεταβολή της ταχύτητας ανέμου όπου u, u η ταχύτητα ανέμου σε ύψη z και z αντίστοιχα z η παράμετρος τραχύτητας Τυπικές τιμές της παραμέτρου τραχύτητας z για διάφορες φυσικές επιφάνειες (cm) Πάγος. Ασφαλτοστρωμένη επιφάνεια. Υδάτινη επιφάνεια.-.6 Χλόη ύψους μέχρι cm. Χλόη ύψους μέχρι - cm.-. Χλόη-σιτηρά κλπ ύψους -5 cm -5 Φυτοκάλυψη ύψους - m Δένδρα ύψους -5 m 4-7 Πηγή: Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος,

39 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (3/4) k c x e x F ) / ( ) ( = Συνάρτηση κατανομής Weibull: ) ( k c μ + Γ = + Γ + Γ σ= ) ( ) ( k k c μ, σ μέση τιμή και τυπική απόκλιση του δείγματος c, κ παράμετροι της κατανομής Weibull Γ(x) συνάρτηση Γάμα ) ( k c + Γ µ = ) ( ) ( + Γ + Γ = + µ σ k k Προσαρμογή θεωρητικής κατανομής Εκτίμηση παραμέτρων με τη μέθοδο των ροπών 39

40 ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑΣ (% ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (4/4) 4 3 Πεντέλη ΠΟΣΟΣΤΟ ΕΤΟΥΣ (%) > ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 4 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL > ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑΣ (% 3 ΠΕΝΤΕΛΗ ΨΥΤΑΛΛΕΙΑ Ψυτάλλεια ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL > ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ (% ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ (% ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 4

41 3 5 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (/) ΚΑΜΠΥΛΗ ΙΣΧΥΟΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ WINCON W5/9 ΙΣΧΥΣ (kw) 5 ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΜΦΑΝΙΣΗΣ (% ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΕΜΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/ΕΤΟΣ) ΕΤΗΣΙΑ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 4

42 Κατανομή ταχυτήτων ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Καταλληλότητα καμπύλης ισχύος σε σχέση με τα ανεμολογικά χαρακτηριστικά 5 Ενέργεια (MWh) Σύνολο (MWh) Καμπύλη ΙΣΧΥΣ (kw) 4 3 Αρχή λειτουργίας Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y) Καμπύλη ΙΣΧΥΣ (kw) Αρχή λειτουργίας ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y) ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 35 Καμπύλη 3 ΙΣΧΥΣ (kw) Αρχή λειτουργίας ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y) ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 4

43 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (/) Συντελεστής δυναμικότητας (Capacity Factor) Η ποσότητα της ενέργειας που παράγει η ανεμογεννήτρια σε ένα έτος ως προς αυτή που θα μπορούσε θεωρητικά να παραχθεί με πλήρη λειτουργία (8766 ώρες) Παράδειγμα: Μία ανεμογεννήτρια 6 kw παράγει.5. kwh σε ένα έτος Ο συντελεστής δυναμικότητας είναι: 5 /(8766*6)=.85 = 8.5 % Συνήθως ο συντελεστής δυναμικότητας κυμαίνεται από

44 Βιβλία-Άρθρα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Αλεξάκης Α., Αιολική ενέργεια, Εκδόσεις Σιδέρη, Αθήνα, 993, CC: BY-NC-SA ΚαλδέλληςΙ., Διαχείριση της Αιολικής Ενέργειας, Εκδόσεις Σταμούλης, Αθήνα 999, CC: BY-NC-SA Κουτσογιάννης, Δ. και Θ. Ξανθόπουλος, Τεχνική Υδρολογία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 999, CC: BY-NC-SA Κουτσογιάννης, Δ., Στατιστική Υδρολογία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 999, CC: BY-NC-SA ΝομίδηςΔ., Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα νησιά του νότιου Αιγαίου, Δελτίο ΠΣΔΜΗ, Αθήνα, 999, CC: BY-NC-SA GipeP., Wind energy basics: a guide to small and micro wind systems, Chelsea Publishing Co., 999, CC: BY-NC-SA Walker J., Wind energy technology, John Wiley & Sons, 997, CC: BY-NC-SA Ιστοσελίδες CC: BY-NC-SA CC: BY-NC-SA CC: BY-NC-SA 44

45 Μέτρηση u = u z ln z z ln z Εκτίμηση Εκτίμηση ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ (/3) Σταθμός Α (8 m) μ= 4.8 σ=.5 c =.96 k = 5.38 Σταθμός Α (8 m) μ= 5.8 σ=3. c =.96 k = 6.56 Σταθμός Α (5m) μ= 7. σ=3.8 c =.96 k = 8.5 Επεξεργασία ανεμολογικών δεδομένων Πυκνότητα πιθανότητας (%) Πυκνότητα πιθανότητας (%) Πυκνότητα πιθανότητας (%) Ταχύτητα ανέμου (m/s) ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL Ταχύτητα ανέμου (m/s) ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL Ταχύτητα ανέμου (m/s) Συνάρτηση κατανομής (%) Συνάρτηση κατανομής (%) Συνάρτηση κατανομής (%) ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL Ταχύτητα ανέμου (m/s) ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL Ταχύτητα ανέμου (m/s) ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL Ταχύτητα ανέμου (m/s)

46 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ (/3) Εκτίμηση παραγόμενης ενέργειας Σταθμός Α (8 m) Σταθμός Α (5m) Κατανομή ταχυτήτων ανέμου Πυκνότητα πιθανότητας (%) 5 5 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL Πυκνότητα πιθανότητας (%) 5 5 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL 3. Καμπύλες ισχύος(kw-m/s) Ανεμογεννήτρια (D=3.7 m) Ταχύτητα ανέμου (m/s) Παραγόμενη ενέργεια (kwh) Ταχύτητα ανέμου (m/s) kwh/yr Ανεμογεννήτρια (D=3 m) 4857 kwh/yr

47 Αριθμός ωρών: 634 Μέση τιμή: 7. m/s Τυπ. Αποκ.: 3.8 m/s ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ (3/3) Πορεία υπολογισμών Παράμετροι Weibull k:.96 c: 8.5 k=kappa(μ,σ) c=μ/exp(gammaln(+/k)) Ανεμογεννήτρια D: 3 m, A: 76.7 m, ρ:.5 kg/m 3 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ ΣΤΑ 5 m (m/s) WEIBULL ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh/ετοσ) ΔΙΑΣΤΗΜΑ ΟΡΙΟ hr ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ F(x)% f(x)% ΩΡΕΣ/ΕΤΟΣ m/s kw ΜΗΧΑΝΗ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ < >

48 Κινητική ενέργεια εισόδου Ε =.5* m* ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (/) Όριο Betz A A Κινητική ενέργεια εξόδου Ε =.5* m * de = ( ).5* m * Δύναμη στο ρότορα m = ρ * Α * L dm = ρ * Α * dt ( ) = * Α * ( ) F = m * γ = m * d / dt = dm / dt * ρ A * Έργο Ισχύς de = F * dl I ( ) A = de / dt= F * dl / dt= F * A ρ * Α* Α * Ισχύς με βάση την κινητική ενέργεια de dt dm = I A =.5* ( ) I A =.5* ρ * Α * A * ( dt ) 48

49 + Α = 3 3 * * *.5* I A ρ 3 * 3* ) ( = = + = d di A 3 * * *.5* 7 6 I MAX A Α = ρ ) *( * *.5* I A A Α = ρ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ).5* * *.5* *.5* * * * * * *.5* A A + = = + = Α = Α Α Α Α ρ ρ Ισχύς με βάση την κινητική ενέργεια Ισχύς / Ισχύς Όριο Betz ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (/) 49

50 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (/4) Εικόνα. Πύργος των ανέμων, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα : Αναπαράσταση του Πύργου των Ανέμων, J. Stuart& N.Revett, CC: BY-NC-SA Εικόνα 3: Οι οκτώ βοηθοί του Αιόλου απεικονίζονται στον πύργο των Αέρηδων (κτίσμα του ου π.χ.αιώνα) στην Πλάκα, Ελένη Παπακυριάκου/Αναγνώστου 3, CC: BY-NC-SA Εικόνα 4. Αντίγραφο του πρώτου Περσικού μύλου, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 5. Μεσογειακός, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." 5

51 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (/4) Εικόνα 6. Αμερικάνικος (8 oς αιώνας), «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 7. Δανικός, «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 8. Ολλανδικός, «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 9. Αγγλικός, «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα. Αιολικές μηχανές οριζοντίου άξονα, CC: BY-NC-SA 5

52 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (3/4) Εικόνα. Υπεράκτια αιολικά πάρκα, «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα. Υπεράκτιο αιολικό πάρκο Κοπεγχάγη, «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 3. Αιολικές μηχανές κατακόρυφου άξονα, «Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.» Εικόνα 5. Φαινόμενο πάρκου, CC: BY- NC-SA Εικόνα 9. Κατάσταση στην Ελλάδα το 7, ΚΑΠΕ (Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας), CC: BY-NC-SA Εικόνα. Χάρτης αιολικού δυναμικού Ελλάδας, ΚΑΠΕ (Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας), CC: BY-NC-SA 5

53 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (4/4) Εικόνα. Αιολικό δυναμικό Ελλάδας, ΚΑΠΕ (Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας), CC: BY-NC-SA 53

54 ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.