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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Σωτηρίου Δ. Θανόπουλου Αριθμός Μητρώου του Τμήματος: 7261 Θέμα: «Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σύγχρονης Μηχανής Μόνιμου Μαγνήτη» Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Μάρτιος 2015

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σύγχρονης Μηχανής Μόνιμου Μαγνήτη» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σωτηρίου Δ. Θανόπουλου Αριθμός Μητρώου: 7261 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:. Θέμα: «Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σύγχρονης Μηχανής Μόνιμου Μαγνήτη» Φοιτητής: Σωτήριος Δ. Θανόπουλος Επιβλέπων: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Περίληψη Ένα από τα σύγχρονα προβλήματα που απασχολούν την κοινωνία είναι το ενεργειακό πρόβλημα, απόρροια της σταδιακής εξάντλησης των συμβατικών πηγών ενέργειας. Η αυξανόμενη ανάγκη για στροφή της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε βιώσιμες και ανανεώσιμες πηγές έχει οδηγήσει στη ραγδαία ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας και στη διείσδυσή της στην αγορά ενέργειας. Στην παρούσα εργασία θα μελετήσουμε ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΜΜΜ). Η απήχηση της ΣΜΜΜ στα αιολικά συστήματα διαρκώς αυξάνει. Αυτό οφείλεται κυρίως στην απουσία κιβωτίου ταχυτήτων, δακτυλιοφόρου δρομέα και εξωτερικής διεγέρσεως, που προσφέρουν οι μηχανές αυτές. Αυτά τα χαρακτηριστικά της μηχανής συμβάλλουν στην αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση των αιολικών συστημάτων. Στην εργασία αυτή θα μοντελοποιήσουμε και θα προσομοιώσουμε, σε περιβάλλον Matlab/Simulink, το αιολικό σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Εφαρμόζοντας τις κατάλληλες τεχνικές ελέγχου από την πλευρά της μηχανής προσπαθούμε να πετύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο, ενώ στην πλευρά του δικτύου προσπαθούμε να επιτύχουμε την άμεση και αποτελεσματική ρύθμιση της άεργου ισχύος που ανταλλάσει το υπό μελέτη σύστημα με το δίκτυο με ταυτόχρονη ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης. Τέλος, θα παραθέσουμε τα αποτελέσματα μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και θα εξάγουμε ορισμένα συμπεράσματα.

6

7 Abstract One of the current issues that concern the society is the energy problem of the gradual depletion of conventional energy sources. The ongoing increase in electric power demand and the need for sustainable and renewable energy has led wind energy into high rates of growth and penetration to the energy markets. In the present project we will study a varying speed wind system which uses a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). The popularity of the PMSG in wind systems is continuously increasing. This is mainly due to the absence of gear box, wound rotor and external excitation which offer such machines. These characteristics of the machine contribute to the increased reliability and efficiency of the wind systems. In this project we will model and simulate, in Matlab/Simulink environment, the wind system described above. Applying appropriate control techniques on the machine side we try to achieve maximum power harvesting from the wind, while on the grid side we try to achieve direct and efficient control of the power flow which is exchanged between the system under study and the stiff grid, with simultaneous control of the dc link voltage. Finally, we will demonstrate the results among with a brief comment and we will extract some conclusions.

8

9 Ευχαριστίες Ευχαριστώ θερμά τον καθηγητή μου και επιβλέποντα της διπλωματικής εργασίας κ. Αντώνιο Αλεξανδρίδη για την υπομονή, την κατανόηση, τις συμβουλές, τη βοήθεια, και την καθοδήγησή του στο σύνολο της προετοιμασίας και διεκπεραίωσης της παρούσας εργασίας. Επίσης, ευχαριστώ πολύ τους διδακτορικούς φοιτητές Γιάννη Μαγγανά και Μιχάλη Μπουρδούλη για το χρόνο που διέθεσαν και για την πολύ σημαντική βοήθειά τους σε ορισμένα σημεία της εργασίας, όπως την προσομοίωση. Τέλος, ευχαριστώ την οικογένειά μου για την αγάπη, την εμπιστοσύνη και την υποστήριξη που μου παρείχαν όλα αυτά τα χρόνια.

10

11 Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α Σελ. Εισαγωγή. 5 Κεφάλαιο 1 Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Το ενεργειακό πρόβλημα Συμβατικές και Εναλλακτικές μορφές Ενέργειας. Κλιματική Αλλαγή Φαινόμενο του Θερμοκηπίου Το Πρωτόκολλο του Κυότο.. Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Είδη ΑΠΕ. Τα Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα των ΑΠΕ.. Αιολική ενέργεια.. Ιστορική αναδρομή στην ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα της αιολικής ενέργειας.. Τρέχουσα κατάσταση της αιολικής ενέργειας Κεφάλαιο 2 Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες Θεωρητική προσέγγιση του Ανέμου.. Μέση Ταχύτητα και Σχετική Κατανομή του Ανέμου.. Ισχύς του Ανέμου και Αεροδυναμικός Συντελεστής Ισχύος. Αεροδυναμικός Συντελεστής Ισχύος. Ανεμογεννήτριες. Δομή - Περιγραφή των Ανεμογεννητριών... Περιεχόμενα της ατράκτου της ανεμογεννήτριας.. Κατηγορίες Ανεμογεννητριών Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα. Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Τύποι Ανεμογεννητριών. Οι Ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών (Σταθερής Ταχύτητας) Οι Ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών (Μεταβλητής Ταχύτητας) Χρησιμοποιούμενοι τύποι γεννητριών Ασύγχρονες (επαγωγικές) γεννήτριες Σύγχρονες γεννήτριες. Χρησιμοποιούμενες Τοπολογίες στις ανεμογεννήτριες

12 2 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ Τοπολογία Α... Τοπολογία Β.. Τοπολογία Γ. Τοπολογία Δ Αιολικά πάρκα. Χερσαία αιολικά πάρκα Υπεράκτια αιολικά πάρκα Λειτουργία και Συντήρηση του αιολικού πάρκου Η Διασύνδεση των Αιολικών Πάρκων Ο Έλεγχος στις Ανεμογεννήτριες.. Έλεγχος ισχύος σε ανεμογεννήτριες Μηχανικός έλεγχος ισχύος.. Ηλεκτρονικός έλεγχος ισχύος Ηλεκτρονικές Συσκευές Ισχύος Κεφάλαιο 3 : Η Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη και τα δυναμικά μοντέλα της Εισαγωγή... Υλικά και ιδιότητες μόνιμων μαγνητών Τύποι σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη.. To υπό μελέτη σύστημα της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Μετασχηματισμός PARK. Στατός Μετασχηματισμός PARK Το δυναμικό μοντέλο της Σ.Μ.Μ.Μ. στο a b c και στο d q Σύστημα... Το δυναμικό μοντέλο του Μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου στο d q ορθοκανονικό πλαίσιο αναφοράς.. Η dc διασύνδεση Κεφάλαιο 4 : Έλεγχος της σύγχρονης Μηχανής Μόνιμου Μαγνήτη Έλεγχος στον μετατροπέα από την πλευρά της μηχανής.. Στρατηγικές ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής.. Η Ρύθμιση των Ελεγκτών Ρεύματος στη Πλευρά της Μηχανής - Προσδιορισμός κερδών των PI ελεγκτών Εύρεση των κερδών του εσωτερικού ΡΙ Ελεγκτή στον άξονα d... Εύρεση των κερδών του εσωτερικού και του εξωτερικού ΡΙ Ελεγκτή στον άξονα q

13 Περιεχόμενα Απευθείας Έλεγχος ενεργού και άεργου ισχύος από την πλευρά του δικτύου.. Ο Έλεγχος της άεργου ισχύος Ο Έλεγχος της dc τάσης. Εύρεση των κερδών των εσωτερικών PI ελεγκτών για την πλευρά του δικτύου στον d και q άξονα Κεφάλαιο 5 : Η προσομοίωση και τα αποτελέσματα για τη Σ.Μ.Μ.Μ Το Συνολικό μοντέλο του συστήματος. Τα Τεχνικά Χαρακτηριστικά του Συστήματος.... Τα Αποτελέσματα της Προσομοίωσης Κεφάλαιο 6 : Συμπεράσματα από την ανάλυση του Συστήματος Συμπεράσματα από την θεωρητική προσέγγιση του ελέγχου του αιολικού συστήματος. Συμπεράσματα από την προσομοίωση του ελέγχου του αιολικού συστήματος Βιβλιογραφία. 161 Πηγές φωτογραφιών. 163

14 4 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ.

15 Εισαγωγή 5 Εισαγωγή Στη παρούσα διπλωματική εργασία θα ασχοληθούμε με ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), ένα σύστημα δύο μετατροπέων, πλήρους κλίμακας, πλάτη με πλάτη (back-to-back μετατροπέας ισχύος) και ένα ωμικό-επαγωγικό φίλτρο στην πλευρά του δικτύου. Θα προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε μια στρατηγική τέτοια που θα μας δίνει την δυνατότητα να ελέγχουμε την ενεργό και άεργο ισχύ από την πλευρά του δικτύου με άμεσο-απευθείας τρόπο, χωρίς δηλαδή να χρησιμοποιούμε καθόλου τα ρεύματα που το διαρρέουν ως παράγοντες ρύθμισης. Τέλος, θα υλοποιήσουμε το παραπάνω σύστημα σε περιβάλλον Matlab/Simulink και θα το προσομοιώσουμε για διάφορες μεταβολές τόσο στην ταχύτητα του ανέμου όσο και στην άεργο ισχύ του δικτύου προκειμένου να δούμε πως συμπεριφέρεται η δεδομένη στρατηγική ελέγχου που εφαρμόσαμε και να μπορέσουμε να εξάγουμε κάποια συμπεράσματα. Στο πρώτο Κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με το ενεργειακό πρόβλημα που απασχολεί ολοένα και περισσότερο την ανθρωπότητα σε παγκόσμιο επίπεδο. Επιπλέον, θα αναλύσουμε τους περιβαλλοντολογικούς παράγοντες εκείνους(κλιματική αλλαγή) που οδήγησαν όχι μόνο στην αμφισβήτηση των συμβατικών μορφών ενέργειας αλλά συνετέλεσαν στην ευρεία αναζήτηση νέων πηγών ενέργειας πιο φιλικών προς το περιβάλλον και τη φύση, οι οποίες σήμερα συνηθίζεται να αποκαλούνται ως Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Στη συνέχεια, θα κάνουμε μια αναφορά σε όλες τις κατηγορίες των ΑΠΕ που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες κοινωνίες τόσο σε ατομικό όσο και σε βιομηχανικό επίπεδο εκμετάλλευσης. Τέλος, θα κλείσουμε το Κεφάλαιο αυτό με μια πιο αναλυτική παρουσίαση της αιολικής ενέργειας που συμπεριλαμβάνει την ιστορική εξέλιξη της μέσα στους αιώνες, όσον αφορά τη χρησιμοποίησή της ως πηγή ενέργειας, τα πλεονεκτικά αλλά και τα μειονεκτικά στοιχεία που παρουσιάζει καθώς τα επίπεδα αξιοποίησης της σε ελληνικό, ευρωπαϊκό και παγκόσμιο επίπεδο. Στο δεύτερο Κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με την αναλυτική μαθηματική περιγραφή του ανέμου ενώ θα παρουσιαστούν και κάποια χαρακτηριστικά μεγέθη που περιγράφουν ένα αιολικό σύστημα. Στη συνέχεια, θα παραθέσουμε τη δομή μιας ανεμογεννήτριας, τους διάφορους τύπους ανεμογεννητριών που βρίσκουν εφαρμογή στη σύγχρονη αιολική βιομηχανία καθώς και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει η κάθε κατηγορία ξεχωριστά. Eπιπρόσθετα, στο κεφάλαιο αυτό θα συμπεριληφθεί μια ανάλυση των χρησιμοποιούμενων τοπολογιών στα αιολικά συστήματα καθώς και μια σύντομη αλλά περιεκτική περιγραφή των αιολικών πάρκων και των διάφορων συνδεσμολογιών τους, ενώ τέλος θα παρουσιαστούν αρκετά λεπτομερώς οι μέθοδοι ελέγχου που χρησιμοποιούνται σήμερα στις ανεμογεννήτριες. Στο τρίτο Κεφάλαιο θα παρουσιάσουμε τo σύστημα μεταβλητών στροφών με σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη(pmsg).μετέπειτα, θα αναφερθούμε στο μετασχηματισμό Park που μετατρέπει στην μόνιμη κατάσταση όλα τα

16 6 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. εναλλασσόμενα μεγέθη σε συνεχή ενώ ταυτόχρονα συμβάλλει στην απλούστευση των εξισώσεων και την μεγαλύτερη ευκολία στον έλεγχο. Κατόπιν, θα τελειώσουμε το Κεφάλαιο αυτό παρουσιάζοντας τα δυναμικά-μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν την λειτουργία του αιολικού συστήματος τόσο από την πλευρά της μηχανής όσο και από την πλευρά του δικτύου. Μάλιστα, μέσω του μετασχηματισμού Park θα οδηγηθούμε σε κάποιες βασικές μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις στο d-q ορθοκανονικό πλαίσιο αναφοράς που θα διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην διαδικασία ελέγχου που θα ακολουθήσει. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, θα παραθέσουμε τον προσανατολισμένο στο πεδίο έλεγχο(field oriented control) που θα εφαρμοστεί για την σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη και θα βασίζεται στην χρήση PI ελεγκτών. Βέβαια, για να πραγματοποιηθούν οι μέθοδοι ελέγχου τόσο στην πλευρά της μηχανής όσο και στην πλευρά του δικτύου θα είναι απαραίτητο πρώτα να απαλείψουμε τους μη γραμμικούς όρους των διαφορικών εξισώσεων, στις οποίες καταλήξαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο, έτσι ώστε να έχουμε έναν αμιγώς γραμμικό PI έλεγχο. Επιπλέον, θα γίνουν οι κατάλληλες διαφοροποιήσεις στον έλεγχο στην πλευρά του δικτύου έτσι ώστε η ρύθμιση της ενεργού και άεργου ισχύος να γίνεται απευθείας χωρίς δηλαδή τη χρήση των ρευμάτων, γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τον αντίστοιχο έλεγχο στην πλευρά της μηχανής. Τέλος, για κάθε μία από τις παραπάνω μεθόδους ελέγχου θα εξάγουμε αναλυτικές σχέσεις που θα οδηγούν στον καθορισμό των κερδών των PI ελεγκτών. Στο πέμπτο Κεφάλαιο, θα παραθέσουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος που χρησιμοποιήσαμε στην προσομοίωση, καθώς και τα αριθμητικά κέρδη των ελεγκτών, όπως αυτά προέκυψαν από τις σχέσεις που εξήχθησαν στο προηγούμενο Κεφάλαιο και τα δεδομένα του συγκριμένου συστήματος. Επιπρόσθετα, θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που αφορούν τις αποκρίσεις βασικών μεγεθών του συστήματος τα οποία επηρεάζουν έμμεσα ή άμεσα τον έλεγχο που εφαρμόζεται, ενώ θα υπάρξει μαζί και ένας σύντομος σχολιασμός μαζί με κάποια βασικά συμπεράσματα που εξάγονται από την προσομοίωση. Στο έκτο και τελευταίο Κεφάλαιο, παρουσιάζονται κάποια γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν τόσο από την θεωρητική ανάλυση του ελέγχου του αιολικού συστήματος από την πλευρά της μηχανής και την πλευρά του δικτύου όσο και από τη προσομοίωση του ελέγχου σε περιβάλλον Simuling-Matlab.

17 Κεφάλαιο 1 Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 1.1 Το ενεργειακό πρόβλημα Συμβατικές και Εναλλακτικές μορφές ενέργειας Η αλματώδης ανάπτυξη του πολιτισμού, η εξέλιξη της τεχνολογίας, η πληθυσμιακή αύξηση και η απαίτηση για κάλυψη ολοένα και περισσότερων αναγκών, έχει οδηγήσει τις τελευταίες δεκαετίες σε μια ακόρεστη ζήτηση ενέργειας. Τίθεται, λοιπόν, ένα βασικό πρόβλημα, το επονομαζόμενο ως ενεργειακό, το οποίο συνιστάται στις διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας οι οποίες έρχονται σε αντίθεση με την σημαντική μείωση που παρουσιάζουν τα ενεργειακά αποθέματα. Βασική συνιστώσα των ενεργειακών πόρων αποτελούν τα ορυκτά καύσιμα και τα πετρελαιοειδή. Τα αποθέματα των ορυκτών καυσίμων χρειάστηκαν εκατομμύρια χρόνια για να σχηματιστούν από απολιθώματα κάτω από πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις στο εσωτερικό της γης, συνεπώς η ποσότητά τους δεν είναι ανεξάντλητη και ο φυσικός ρυθμός παραγωγής τους είναι εξαιρετικά βραδύς. Ωστόσο, η εξόρυξη και εκμετάλλευσή τους έγινε και συνεχίζει να γίνεται αλόγιστα στο βωμό του οικονομικού κέρδους. Παράλληλα, επειδή είναι συγκεντρωμένα σε συγκεκριμένες περιοχές του πλανήτη, δημιουργούν αφενός καταστάσεις ενεργειακής ομηρίας για τις χώρες που δε διαθέτουν κοιτάσματα και αφετέρου γίνονται αφορμή και πρόσχημα για εξυπηρέτηση επεκτατικών βλέψεων (πολεμικές συγκρούσεις σε Ιράν, Ιράκ, Κουβέιτ κτλ.). Επιπρόσθετα, η καύση του πετρελαίου, των παραγώγων του αλλά και των γαιανθράκων (λιγνίτης, λιθάνθρακας) απελευθερώνει στην ατμόσφαιρα αέρια, όπως οξείδια του αζώτου, του θείου, υδρογονάνθρακες κτλ., τα οποία δημιουργούν μια σειρά προβλημάτων. Επιτρέπουν την προσπίπτουσα ηλιακή

18 8 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. ακτινοβολία στη γη, αλλά εμποδίζουν την ανακλώμενη να διαφύγει έξω από την ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα την υπερθέρμανση του πλανήτη (φαινόμενο θερμοκηπίου) και ως φυσικό επακόλουθο το λιώσιμο των πάγων, την άνοδο της στάθμης των ωκεανών και την εξαφάνιση πολλών ειδών της πανίδας, αλλά και ολόκληρων κατοικημένων περιοχών. Υποβαθμίζουν την ποιότητα ζωής καθώς δημιουργούν αναπνευστικά και τοξικολογικά προβλήματα, ενώ αυξάνονται οι πιθανότητες εμφάνισης καρκίνου του δέρματος λόγω της τρύπας του όζοντος αλλά και δηλητηριάσεων λόγω της όξινης βροχής που καταλήγει στον υδροφόρο ορίζοντα. Λόγω, λοιπόν, των πεπερασμένων αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων, των δυσμενών περιβαλλοντικών επιπτώσεων αλλά και της αρκετά ώριμης πλέον τεχνογνωσίας, η ανθρωπότητα στρέφεται σε εναλλακτικές λύσεις, όπως είναι οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (αιολική, ηλιακή κτλ.). Η χρήση και μετατροπή αυτών των μορφών ενέργειας δεν είναι κάτι καινούριο. Ήδη, από την αρχαιότητα, ιστιοφόρα πλοία εκμεταλλευόμενα την αιολική ενέργεια, έκαναν ταξίδια, εμπορικές και εξερευνητικές αποστολές, ενώ ανεμόμυλοι που χρησιμοποιούνταν ειδικότερα στα νησιά του Αιγαίου, όπου οι άνεμοι είναι μεγαλύτερης έντασης και συχνότητας, βοηθούσαν στη σύνθλιψη του σιταριού για την παραγωγή αλευριού ή στην εξαγωγή νερού από πηγάδια. Σήμερα, η καταναλισκόμενη ενεργεία προέρχεται κατά 78% από ορυκτά καύσιμα (συμβατικές πηγές ενέργειας) και κατά 16% από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε). Πιο αναλυτικά, την πρώτη θέση, σε παγκόσμιο επίπεδο, καταλαμβάνει το πετρέλαιο με ποσοστό 35% και ακολουθεί ο άνθρακας και το φυσικό αέριο με ποσοστά 22% και 21% αντίστοιχα. Στη συνέχεια, όσον αφορά το ποσοστό που καταλαμβάνουν οι μη συμβατικές πηγές ενέργειας (16%) είναι σημαντικό να αναφέρουμε ότι προέρχεται κυρίως από βιομάζα (10%) και έτσι απομένει μόνο ένα μικρό ποσοστό (περί το 6%) για τις κατεξοχήν ΑΠΕ. Όμως, και από τις κατεξοχήν ΑΠΕ το μεγαλύτερο μέρος προέρχεται από υδροηλεκτρικά (3.4%) και έτσι αφήνει ένα πολύ μικρό ποσοστό (2.8%) για αιολικά και φωτοβολταϊκά και άλλες σύγχρονες ΑΠΕ. Το υπόλοιπο 6% της παγκόσμιας ενέργειας συμπληρώνεται από την πυρηνική ενέργεια. 1.2 Κλιματική Αλλαγή Φαινόμενο του Θερμοκηπίου

19 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 9 Το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι η φυσική διαδικασία κατά την οποία οι ακτίνες του ηλίου παγιδεύονται και αντανακλώνται στη Γη με τη βοήθεια κάποιων συγκεκριμένων αερίων. Μ αυτόν τον τρόπο, δεν επιτρέπουν τη θερμοκρασία στην επιφάνεια της Γης να φτάσει σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, όπως αυτές που επικρατούν στη μεσόσφαιρα, ένα από τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας που βρίσκεται σε απόσταση km από την επιφάνεια της Γης. Επομένως, το φαινόμενο του θερμοκηπίου από μόνο του κάθε άλλο παρά επιζήμιο είναι αφού συμβάλλει έτσι ώστε να υπάρχει ζωή στον πλανήτη γη. Ωστόσο, η παρέμβαση του ανθρωπίνου στοιχείου τις τελευταίες δεκαετίες οδήγησε στην υπερβολική αύξηση κάποιων αερίων του θερμοκηπίου και κυρίως του διοξειδίου του άνθρακα, με συνέπεια την αφύσικη αύξηση της θερμοκρασίας η οποία συνέβαλλε στις δραματικές κλιματικές αλλαγές των τελευταίων ετών. Τα αέρια του θερμοκηπίου είναι περίπου είκοσι και έχουν όγκο µμικρότερο από 1% του συνολικού όγκου της ατμόσφαιρας. Τα σημαντικότερα από αυτά είναι οι υδρατμοί ( ),το διοξείδιο του άνθρακα( ),το μεθάνιο( ),τα οξείδια του αζώτου( ), οι χλωροφθοράνθρακες (CFC s) και το όζον στην τροπόσφαιρα( ). Κάθε μεταβολή στις συγκεντρώσεις αυτών των αεριών διαταράσσει το ενεργειακό ισοζύγιο, προκαλεί μεταβολή της θερμοκρασίας και ως εκ τούτου κλιµατικές αλλαγές. Οι υδρατμοί αν και απορροφούν το 65% της υπέρυθρης ακτινοβολίας, δεν φαίνεται να έχουν επηρεαστεί άμεσα από την ανθρώπινη δραστηριότητα. Αντίθετα, οι συγκεντρώσεις των υπόλοιπων αερίων έχουν μεταβληθεί σημαντικά µε κυριότερη τη μεταβολή του διοξειδίου του άνθρακα καθώς αποτελεί αέριο που διαφεύγει στην ατμόσφαιρα µε την καύση πετρελαίου, κάρβουνου, άνθρακα και άλλων ορυκτών καυσίμων. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες όχι µόνο εκπέμπουν υψηλές συγκεντρώσεις στην ατµόσφαιρα,αλλά βλάπτουν και την ικανότητα της γης να απορροφά το και να το ενσωματώνει στους φυσικούς κύκλους ροής ενέργειας και ύλης, µε την καταστροφή των δασών και του φυτοπλαγκτόν των ωκεανών. Το πλαγκτόν αποτελεί τον κύριο «απορροφητή» του πλανήτη, καθώς πρόκειται για φυτικούς οργανισμούς που χρησιμοποιούν το κατά τη φωτοσύνθεση. Πολύπλοκα μαθηματικά μοντέλα γνωστά ως GCM (General Circulation Models), τα οποία επεξεργάζονται όλες τις διαθέσιμες πληροφορίες για να προβλεφθούν οι μελλοντικές κλιματικές αλλαγές, δείχνουν ότι η μέση θερμοκρασία της Γης θα αυξάνεται κατά µέσο όρο περίπου 0,3 C ανά δεκαετία για τα επόμενα εκατό χρόνια. Αν συμβεί όμως μια τέτοια αύξηση, που φαινομενικά είναι μικρή, μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές κλιματικές αλλαγές µε απρόβλεπτες συνέπειες. Με άλλα λόγια, η θερμοκρασία κατά τη διάρκεια του Καλοκαιριού σε πολλές περιοχές του πλανήτη, αλλά και στην χώρα μας, θα φτάσει σε τέτοια επίπεδα που θα είναι ανυπόφορη για τους ανθρώπους και τους άλλους ζωικούς και φυτικούς οργανισμούς. Περισσότερο έντονο θα είναι (ήδη έχει αρχίσει να γίνεται σε πολλές περιοχές) το πρόβλημα στις πόλεις, όπου η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη από τον περιβάλλοντα χώρο κατά 0,5-3 C λόγω της έλλειψης βλάστησης και της μεγαλύτερης απορρόφησης ακτινοβολίας των δομικών υλικών. Δυστυχώς είναι

20 10 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. γεγονός ότι οι πόλεις της πατρίδας μας διαθέτουν πολύ μικρή επιφάνεια σε χώρους πρασίνου (Αθήνα 2,8 και Θεσσαλονίκη 2,73 τετραγωνικά μέτρα ανά κάτοικο), ενώ οι ειδικοί προτείνουν τουλάχιστον 15,5 τ. μ. και οι περισσότερες πόλεις τις Μεσευρώπης έχουν 20 τ. μ. Επιπρόσθετα, ένα σημαντικό θέμα είναι η επίδραση που θα έχει η αύξηση της θερμοκρασίας στο επίπεδο της θάλασσας. Αναμένεται άνοδος της επιφάνειας, που θα οφείλεται στη θερμική διαστολή των ωκεανών και στο λιώσιμο των πάγων των οροσειρών και σε μικρότερο βαθμό στο λιώσιμο των πάγων της Γροιλανδίας. Παράλληλα η κατανομή και η συχνότητα των βροχοπτώσεων θα μεταβληθούν. Θα αυξηθούν οι πλημμύρες, οι καταιγίδες και γενικά οι ακραίες καιρικές συνθήκες θα είναι συχνότερες και εντονότερες. Επίσης, οι υψηλές θερμοκρασίες είναι φαινόμενο που ευνοεί την αύξηση της μόλυνσης στην ατμόσφαιρα, ενώ δημιουργούνται ιδανικές συνθήκες για την εμφάνιση ασθενειών, που εμφανίζονται µόνο σε θερμές περιοχές. Ασθένειες που μεταδίδονται µε κουνούπια και άλλα έντομα, όπως ελονοσία, κίτρινος πυρετός και εγκεφαλίτιδα, θα εξαπλωθούν εάν οι υψηλές θερμοκρασίες επιτρέψουν σε αυτούς τους οργανισμούς να εγκατασταθούν και σε άλλες περιοχές. Τέλος, αξίζει να αναφέρουμε ότι το όζον στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας απορροφά την επικίνδυνη ακτινοβολία για τους ζωντανούς οργανισμούς, αλλά η αύξηση της συγκέντρωσής τους στις κατώτερες περιοχές της ατμόσφαιρας είναι παθογόνος. Πιο συγκεκριμένα, το όζον επιδρά αρνητικά στους ιστούς των πνευμόνων και δημιουργεί προβλήματα σε άτομα µε άσθμα και άλλες ασθένειες του αναπνευστικού προβλήματος. Ακόμα και σε υγιή άτομα η έκθεση σε υψηλές συγκεντρώσεις όζοντος προκαλεί πόνους στο στήθος, ναυτία και πνευμονική συμφόρηση. 1.3 Το Πρωτόκολλο του Κυότο Η αυξανόμενη επιστημονική ανησυχία ότι οι ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν αρνητικές επιπτώσεις στο κλίμα του πλανήτη οδήγησε στην υπογραφή της Σύμβασης -Πλαίσιο για την Κλιματική Αλλαγή των Ηνωμένων Εθνών στο Ρίο ντε Τζανέιρο τον Ιούνιο του 1992 από το σύνολο σχεδόν των χωρών του πλανήτη. Η Ελλάδα κύρωσε τη Σύμβαση κάνοντάς την νόμο του Κράτους το 1994 (Ν. 2205/94). Ο κατεξοχήν στόχος της Σύμβασης είναι η σταθεροποίηση των συγκεντρώσεων των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα, σε επίπεδα τέτοια ώστε να προληφθούν επικίνδυνες επιπτώσεις στο κλίμα από τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Παράλληλα, αναγνωρίζει ότι οι αναπτυγμένες χώρες είναι αυτές που πρέπει να διαδραματίσουν καθοριστικό ρόλο στην αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής.

21 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 11 Η Τρίτη Σύνοδος των Συμβαλλομένων Μερών της Σύμβασης, που έλαβε χώρα στο Κυότο τον Δεκέμβριο του 1997, ολοκλήρωσε τις διαπραγματεύσεις σχετικά µε τον καθορισμό ενός νομικού οργάνου: του Πρωτοκόλλου του Κυότο για την κλιματική αλλαγή. Το Πρωτόκολλο αυτό εξασφαλίζει µία διαδικασία βάσει της οποίας μελλοντικές δράσεις για την αντιμετώπιση της κλιματικής μεταβολής μπορεί να εντατικοποιηθούν. Καθορίζει για πρώτη φορά νομικά δεσμευτικούς στόχους για τον περιορισμό των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου και επιβεβαιώνει την ανάγκη συνεργασίας της διεθνούς κοινότητας σε θέματα που αφορούν σε ένα σημαντικότατο περιβαλλοντικό πρόβλημα. Το κεντρικό σημείο του Πρωτοκόλλου είναι οι νομικά κατοχυρωμένες δεσμεύσεις των ανεπτυγμένων κρατών να ελαττώσουν μεμονωμένα ή σε συνεργασία µε άλλες χώρες τις εκπομπές 6 αερίων του θερμοκηπίου (CO2, CH4, N2O, HFC, PFC και SF6) αρχικά την περίοδο σε ποσοστό μεγαλύτερο του 5% από τα επίπεδα του Η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) δεσμεύτηκε για μείωση των εκπομπών της κατά 8%, οι ΗΠΑ για 7%, η Ιαπωνία για 6%, ενώ άλλες χώρες όπως η Ρωσία και η Αυστραλία δεσμεύτηκαν να περιορίσουν το ρυθμό αύξησης των εκπομπών τους. Παρακάτω φαίνεται η κατανομή των υποχρεώσεων των κρατών-µελών της ΕΕ για τη μείωση των εκπομπών 6 αερίων στην περίοδο σε σχέση µε το έτος βάσης. Σχήμα 1.1 : Κατανομή των υποχρεώσεων των κρατών-µελών της ΕΕ για τη μείωση των εκπομπών 6 αερίων στην περίοδο σε σχέση µε το έτος βάσης. [1] Τα παραπάνω στοιχεία σε συνδυασμό με την ανάλυση του προβλήματος που δημιουργεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου, που ακολουθεί παρακάτω, συντελούν στο να συμπεράνουμε πως ούτε περιβαλλοντολογικά επιτρεπτό είναι να εκπέμπουμε με αυτούς τους ρυθμούς διοξείδιο του άνθρακα και άλλους ρύπους για την κάλυψη των ενεργειακών μας αναγκών, ούτε οικονομικά αποδεκτό να

22 12 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. ξοδεύουμε τέτοια ποσά για εξαγορά ρύπων και αποκατάστασης του περιβάλλοντος και της δημόσιας υγείας. Αλλά, μας ωθούν στο να στραφούμε προς μια άλλη φιλική προς το περιβάλλον μορφή ενέργειας που θα απαιτήσει ναι μεν κάποιο αρχικό κόστος υποδομών, θα εξασφαλίσει όμως την βιωσιμότητα του πλανήτη. 1.4 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Σχήμα 1.2: Διάφορες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Με τον όρο Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) εννοούμε εκείνες τις ενεργειακές πηγές οι οποίες βρίσκονται εν αφθονία στο φυσικό περιβάλλον, είναι δηλαδή πρακτικά ανεξάντλητες και επηρεάζονται μόνο από τις εκάστοτε καιρικές συνθήκες. Βασικό χαρακτηριστικό τους είναι ότι προέρχονται από την αξιοποίηση φυσικών φαινομένων όπως ο άνεμος, η ηλιακή ακτινοβολία, τα κύματα των θαλασσών κ.λπ. και δεν απαιτούν καμία εξωγενή ανθρώπινη παρέμβαση για την εκμετάλλευσή τους (άντληση, εξόρυξη, καύση).ταυτόχρονα, είναι πολύ φιλικές προς το περιβάλλον μιας και πρόκειται για καθαρές μορφές ενέργειας που αποδεσμεύουν ελάχιστους ή και καθόλου επικίνδυνους ρύπους προς την ατμόσφαιρα, γεγονός που έρχεται σε πλήρη αντίθεση με άλλες συμβατικές πηγές ενέργειας. Τα παραπάνω στοιχεία των εναλλακτικών πηγών ενέργειας τις καθιστούν διαρκώς αναπτυσσόμενες σε παγκόσμιο επίπεδο, μια και όπως προαναφέραμε και προηγουμένως θεωρούνται από πολλούς μία αφετηρία για την επίλυση των περιβαλλοντικών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η Γη.

23 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Είδη ΑΠΕ Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μπορούν να διακριθούν στα παρακάτω είδη: Αιολική Ενέργεια Είναι η κινητική ενέργεια των ανέμων. Δημιουργείται από τη διαφορά θερμοκρασίας και πιέσεως των αερίων μαζών, οι οποίες αναγκάζονται να κινηθούν. Είναι ανεξάντλητη και σχετικά οικονομική στην εκμετάλλευση της με ένα κόστος εγκατάστασης περίπου 2 εκατ. /MW. Το συνολικά διαθέσιμο αιολικό δυναμικό του πλανήτη εκτιμάται πως είναι πέντε φορές μεγαλύτερο από τη σημερινή παγκόσμια παραγωγή ενέργειας ή 40 φορές μεγαλύτερο από τη σημερινή ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας καθιστά απαραίτητη την χρήση ειδικών διατάξεων που εκθέτουν έναν δρομέα (πτερωτή τύπου έλικας, με ένα η περισσότερα πτερύγια) στο ρεύμα του ανέμου, λαμβάνοντας έτσι μέρος της κινητικής ενέργειάς του, με αποτέλεσμα την περιστροφική κίνηση του δρομέα. Οι διατάξεις αυτές λέγονται ανεμογεννήτριες όταν ο άξονας τους κινεί ηλεκτρογεννήτρια παράγωγης ρεύματος. Στις ανεμογεννήτριες η αιολική ενέργεια μετατρέπεται σε περιστροφική κίνηση του δρομέα του αεροκινητήρα και του άξονά του. Σχήμα 1.3 : Το αιολικό πάρκο Χανδρά στην ανατολική Κρήτη. [2] 13

24 14 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Η σύνδεση ανεμογεννητριών στο ηλεκτρικό δίκτυο μιας χώρας αποτελεί, από οικονομικής απόψεως, μια πολύ σημαντική εφαρμογή τους. Σ αυτή την περίπτωση κατασκευάζεται μια συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, γνωστή ως αιολικό πάρκο, που εγκαθίσταται και λειτουργεί σε μία περιοχή με υψηλό αιολικό δυναμικό. Η συνολική ενέργεια που παράγεται στο αιολικό αυτό πάρκο διοχετεύεται στο ηλεκτρικό σύστημα. Συνήθως, η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται: α. Για παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές συνδεδεμένες στο δίκτυο είτε για την κάλυψη ίδιων αναγκών, είτε για την πώληση του ρεύματος στην εταιρεία εκμετάλλευσης του δικτύου. β. Για παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές που δεν είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο, για λειτουργία είτε μόνες τους με συσσωρευτές, είτε σε συνδυασμό με σταθμό ηλεκτροπαραγωγής με ντίζελ. γ. Για θέρμανση (π.χ. σε θερμοκήπια) με διαδοχική μετατροπή της σε ηλεκτρισμό και ακολούθως σε θερμότητα με τη χρήση ηλεκτρικής αντίστασης ή με την κίνηση αντλιών θερμότητας. Ηλιακή Ενέργεια Είναι η κατεξοχήν Ανανεώσιμη Πηγή Ενέργειας μιας και όλες οι άλλες πηγές ενέργειας σ αυτήν οφείλουν την ύπαρξη τους. Εξαίρεση αποτελούν η γεωθερμική, η πυρηνική και η παλιρροιακή. Εκτιμάται ότι η μέση προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια στην επιφάνεια της γης είναι περίπου 600W/,αλλά η πραγματική της τιμή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την γεωγραφική θέση της περιοχής. Βασικά της πλεονεκτήματα είναι ότι δεν έχει κόστος, είναι ανεξάντλητη και δεν μολύνει το περιβάλλον ενώ ως μειονεκτήματα μπορούν να θεωρηθούν η μικρή ένταση ανά μονάδα επιφάνειας που παρουσιάζει, η διαθεσιμότητα της για ένα μόνο μέρος της ημέρας καθώς και η εξάρτηση της από τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν. Ωστόσο τα παραπάνω αρνητικά χαρακτηριστικά είναι αυτά που καθιστούν την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας ένα δύσκολο τεχνολογικά πρόβλημα. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας γίνεται με δύο βασικούς τρόπους: Μετατροπή της σε θερμότητα μέσω θερμικών συστημάτων. Αρχικά, σε επίπεδο καταναλωτών επιτυγχάνεται με τη χρήση ηλιακών συλλεκτών για θέρμανση νερού που προορίζεται για απλή οικιακή ή πιο σύνθετη βιομηχανική χρήση ή για θέρμανση χώρου. Οι ηλιακοί συλλέκτες απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία, εκτός της υπερύθρου που την αντανακλούν και την αποδίδουν συνήθως σε ένα ψυκτικό υγρό, με ένα συντελεστή απόδοσης της τάξης του 40-50%, ο οποίος είναι συνάρτηση πολλών παραμέτρων.

25 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 15 Σχήμα 1.4 : Ηλιακός θερμοσίφωνας. [3] Αυτή η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας μέσω των συλλεκτών μειώνει το ηλεκτρικό φορτίο ωστόσο κρίνεται αναγκαία, από κατασκευαστικής άποψης, η ύπαρξη επαρκής εφεδρικής ισχύς έτσι ώστε να καλύπτονται πλήρως οι ανάγκες των καταναλωτών σε περιπτώσεις καιρικών συνθηκών χωρίς ηλιοφάνεια. Έπειτα, σε επίπεδο ηλεκτρικών σταθμών, έχουμε τις παρακάτω τεχνικές: α) Το σύστημα του κεντρικού πύργου, η ανάπτυξη του οποίου άρχισε από τα μέσα της δεκαετίας του Περιλαμβάνει πολλά επίπεδα, συνήθως, κάτοπτρα (ηλιοστάτες), που αλλάζουν κλίση ανάλογα με τη θέση του ήλιου και ανακλούν τις ακτίνες του, κατευθύνοντάς τες στην κορυφή ενός κεντρικού αποδέκτη-πύργου, όπου βρίσκεται δεξαμενή νερού. Η συγκεντρωμένη ηλιακή ακτινοβολία θερμαίνει το νερό σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (ως 500 C) και ο ατμός που παράγεται διοχετεύεται, μέσω ενός κυκλώματος, σε στροβιλογεννήτρια, την οποία κινεί παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Ηλιακοί σταθμοί αυτού του είδους προσφέρονται για ηλεκτροδότηση περιοχών, μικρών πόλεων και νησιών και παρουσιάζουν ευνοϊκές προοπτικές για περαιτέρω ανάπτυξη στη δεκαετία του Από τις μεγαλύτερες στον κόσμο εγκαταστάσεις με κεντρικό πύργο είναι η Sοlar 1 στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ, ισχύος 10 ΜW, και η ΤΗΕΜΙS στην Ταργκασόν της Γαλλίας, ισχύος 2 ΜW.

26 16 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Σχήμα 1.5 : Ηλιακός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Kαλιφόρνια με σύστημα κεντρικού πύργου (Solar 1) [4] β) Το σύστημα παραβολικών κατόπτρων, που συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία και την εστιάζουν σε σωλήνες όπου κυκλοφορεί ρευστό (συνήθως έλαιο). Με τη θερμότητα το ρευστό ατμοποιείται και κινεί στροβιλογεννήτρια, παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Η τεχνική αυτή αναπτύχθηκε κυρίως κατά τη δεκαετία του Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, εννέα από τις μεγαλύτερες στον κόσμο εγκαταστάσεις του είδους αυτού βρίσκονταν στην έρημο Μοjaνe της Καλιφόρνιας, με συνολική ισχύ 350 ΜW. Στην Ευρώπη, ο πρώτος ηλιακός σταθμός που χρησιμοποίησε την τεχνική των παραβολικών κατόπτρων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ήταν ο Αndasol 1 που είναι εγκατεστημένος στην Ανδαλουσία της Ισπανίας και εγκαινιάστηκε το 2008.Στη συνέχεια, ακολούθησε και η κατασκευή των Αndasol 2 και 3 που συμπλήρωσαν το ηλιακό πάρκο της περιοχής.

27 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 17 Σχήμα 1.6 : Ηλιακός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Γρανάδα της Ισπανίας με σύστημα παραβολικών κατόπτρων ( Andasol 1) [5] Απευθείας μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια. Επιτυγχάνεται μέσω της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών ηλιακών συστημάτων που στηρίζονται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δηλαδή την άμεση μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Μερικά υλικά, όπως το πυρίτιο με πρόσμιξη άλλων στοιχείων, γίνονται ημιαγωγοί (άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα προς μια μόνο διεύθυνση), έχουν δηλαδή τη δυνατότητα να δημιουργούν διαφορά δυναμικού όταν φωτίζονται και κατά συνέπεια να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Συνδέοντας μεταξύ τους πολλά μικρά κομμάτια τέτοιων υλικών (φωτοβολταϊκές κυψέλες ή στοιχεία), τοποθετώντας τα σε μία επίπεδη επιφάνεια (φωτοβολταϊκό σύστημα) και στρέφοντάς τα προς τον ήλιο, γίνετε δυνατή η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος το οποίο μπορεί να καλύψει ανάγκες όπως: λειτουργία επιστημονικών συσκευών (δορυφόρων), κίνηση ελαφρών αυτοκινήτων (ηλιακά αυτοκίνητα), λειτουργία φάρων, ή την κάλυψη έστω και μέρους των ενεργειακών αναγκών μικρών κατοικιών όπως φωτισμός, τηλεπικοινωνίες, ψύξη κτλ. Η μέγιστη απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων (Φ/Β), ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους κυμαίνεται από 7% (ηλιακά στοιχεία άμορφου πυριτίου) έως 12-15% (ηλιακά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου).h μεγαλύτερη απόδοση, περίπου 22% επετεύχθη με κύτταρα γαλλίου - αρσενίου, αλλά τόσο η τοξικότητα του αρσενίου όσο και οι υπάρχουσες μικρές ποσότητες γαλλίου δεν επιτρέπουν την εμπορική εκμετάλλευση αυτών των κυττάρων. Το σημαντικό είναι

28 18 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. ότι η ενέργεια που παράγεται με αυτό τον τρόπο, μπορεί να αποθηκευτεί σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές (μπαταρίες) να υπάρχει ανεξάντλητη, ανανεώσιμη, φθηνή και κυρίως "καθαρή" ενέργεια. Σχήμα 1.7 : Φωτοβολταϊκά πάνελ [6] Σήμερα, η παγκόσμια εγκατεστημένη φωτοβολταϊκή ισχύς ξεπερνά τα 40 GWp. Οι ρυθμοί αύξησης της φωτοβολταϊκής ισχύος είναι 60% ετησίως για τα πέντε τελευταία χρόνια. Το μεγαλύτερο φωτοβολταϊκό πάρκο στο κόσμο βρίσκεται στον Καναδά και είναι ισχύος 95 MWp, ενώ σχεδιάζεται φωτοβολταϊκό πάρκο ισχύος 500 MWp στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ. Βιομάζα Τα υπολείμματα των φυτών και τα απορρίμματα των ζωικών οργανισμών ονομάζονται βιομάζα, η οποία με κατάλληλες χημικές και βιολογικές διεργασίες να παράγει βιοκαύσιμα. Κύριες πηγές της βιομάζας είναι τα υπολείμματα της γεωργικής παραγωγής, των βιομηχανιών επεξεργασίας γεωργικών προϊόντων και παραγωγής τροφίμων, παραπροϊόντα κτηνοτροφίας, παραπροϊόντα επεξεργασίας ξύλου, στερεά απορρίμματα νοικοκυριών κ.α. Η ενέργεια της βιομάζας είναι δευτερογενής ηλιακή ενέργεια μιας και στην πραγματικότητα είναι αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια που δεσμεύτηκε από τους φυτικούς οργανισμούς κατά τη φωτοσύνθεση. Οι ζωικοί οργανισμοί από την πλευρά τους προσλαμβάνουν αυτή την ενέργεια με την τροφή τους και αποθηκεύουν ένα

29 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 19 μέρος της. Η βιομάζα αξιοποιείται είτε μέσω της καύσης για την παραγωγή θερμότητας ή με την παραγωγή υγρών και αέριων καυσίμων (κυρίως αιθανόλη, υδρογονάνθρακες, μεθάνιο, υδρογόνο κ.α.). Σχήμα 1.8 : Μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού-θερμότητας με τη χρήση βιομάζας από τη δημοτική επιχείρηση τηλεθέρμανσης Πτολεμαΐδας [7] Το μεγάλο ενδιαφέρον πολλών ηλεκτρικών εταιριών στη χρήση της βιομάζας προέρχεται από τη δυνατότητα εκμετάλλευσης της σαν συμπληρωματικό κυρίως καύσιμο στους ηλεκτρικούς σταθμούς που χρησιμοποιούν γεωλογικά καύσιμα, με ταυτόχρονη μείωση των οξειδίων του αζώτου και του θείου. Επιπλέον,τα υγρά βιοκαύσιμα όπως είναι η βιοαιθανόλη, το βιοντίζελ και η βιομεθανόλη είναι φιλικά προς το περιβάλλον και προορίζονται σχεδόν αποκλειστικά για την κίνηση των οχημάτων. Ωστόσο, πρέπει να αναφέρουμε ότι παρόλο που μπορούν να χρησιμοποιηθούν και αυτούσια ως καύσιμο, χρησιμοποιούνται συνήθως ως προσθετικά των συμβατικών καυσίμων(βενζίνης) για τη βελτίωση της απόδοσής τους. Παράλληλα, η βιομάζα συμβάλλει όχι μόνο στη δημιουργία ενεργειακών καλλιεργειών αλλά και στην παραγωγή υποπροϊόντων όπως είναι οι ζωοτροφές, ο χαρτοπολτός και η αιθανόλη. Συμπερασματικά, η βιομάζα αποτελεί μια σημαντική, ανεξάντλητη και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας, η οποία είναι δυνατό να συμβάλλει σημαντικά στην ενεργειακή επάρκεια, αντικαθιστώντας τα συνεχώς εξαντλούμενα αποθέματα ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο κ.ά.). Η χρήση της βιομάζας ως πηγής ενέργειας δεν είναι νέα. Σ αυτήν, εξάλλου, συγκαταλέγονται τα καυσόξυλα και οι ξυλάνθρακες που, μέχρι το τέλος του περασμένου αιώνα, κάλυπταν το 97% των ενεργειακών αναγκών της χώρας.tέλος,

30 20 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. η έρευνα και η τεχνολογική πρόοδος που έχει πραγματοποιηθεί τα τελευταία δέκα χρόνια έχουν καταστήσει τις τεχνολογίες ενεργειακής μετατροπής της βιομάζας εξαιρετικά ελκυστικές σε παγκόσμιο επίπεδο. Οι προοπτικές, μάλιστα, της βιοενέργειας καθίστανται διαρκώς μεγαλύτερες και πιο ελπιδοφόρες. Στις πιο προηγμένες οικονομικά χώρες, καλύπτει ήδη ένα σεβαστό τμήμα της ενεργειακής παραγωγής και στο μέλλον αναμένεται να παίξει ακόμα σημαντικότερο ρόλο στον τομέα της παραγωγής ενέργειας. Χαρακτηριστικό είναι ότι σήμερα αποτελεί τη πηγή για το 10% της συνολικής παγκόσμιας ενέργειας. Μάλιστα, στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής όπου η χρήση της βιομάζας γίνεται σε ευρύ επίπεδο περίπου δύο εκατομμύρια αμερικανών θερμαίνονται με την καύση ξύλου ενώ σαν μορφή ενέργειας η βιομάζα καλύπτει περίπου το 2,5% των ενεργειακών αναγκών των πολιτών της, κυρίως μέσα από τη χρήση της για παραγωγή θερμότητας και χαρτοπολτού. Γεωθερμική Ενέργεια Είναι η θερμική ενέργεια των πετρωμάτων της γης και έχει άμεση σχέση με την ηφαιστειότητα και τις ειδικότερες γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες της κάθε περιοχής. Μεταφέρεται στην επιφάνεια με αγωγή θερμότητας και με την είσοδο στο φλοιό της γης λειωμένου μάγματος από τα βαθύτερα στρώματά της, και γίνεται αντιληπτή υπό τη μορφή ζεστού νερού ( C),υγρού ατμού (νερό με πίεση μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής και θερμοκρασία μεγαλύτερη των 100 C) ή κεκορεσμένου ξηρού ατμού. Η κύρια κατάταξη των γεωθερμικών πεδίων γίνεται με βάση τη θερμοκρασία με την οποία εξάγονται από το εσωτερικό της γης. Πεδία χαμηλής ή μέσης θερμοκρασίας ( C) αξιοποιούνται στη μεταφορά θερμότητας σε οικισμούς, θερμοκήπια, αλλά και μικρές βιομηχανικές μονάδες, ενώ αντίθετα πεδία υψηλής θερμοκρασίας (άνω των 150 C) είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η θερμική ενέργεια των πετρωμάτων της γης απορροφάται με τροφοδότηση αλμυρού νερού σε γεώτρηση βάθους m και με άντλησή του από άλλη κοντινή γεώτρηση. Στην περίπτωση που το γεωθερμικό πεδίο διαθέτει ξηρό ατμό, τροφοδοτείται απευθείας ένας ατμοστρόβιλος χαμηλής πίεσης, ενώ αντίθετα αν διαθέτει υγρό ατμό τροφοδοτείται ένας εναλλάκτης θερμότητας που προσδίδει τη θερμότητα σε δευτερεύοντα υγρά εργασίας για να κινήσουν το στρόβιλο. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να τονιστεί ότι η εκμετάλλευση των γεωθερμικών πεδίων επιβάλλεται να γίνεται με ορθολογιστικό τρόπο. Η ενέργεια που προέρχεται από ένα γεωθερμικό πεδίο θεωρείται ανανεώσιμη εφόσον ο ρυθμός άντλησης της θερμότητας δεν υπερβαίνει το ρυθμό επαναφόρτισης του κοιτάσματος. Στην περίπτωση μονάδων ηλεκτροπαραγωγής μπορεί να χρειαστούν αρκετές εκατοντάδες χρόνια για να επαναφορτιστεί ένα πεδίο που αποφορτίστηκε πλήρως. Τα περιφερειακά συστήματα θέρμανσης μπορεί να απαιτήσουν χρόνια για να επαναφορτιστούν, ενώ οι γεωθερμικές αντλίες μόνο περίπου 30 χρόνια. Παρόλα αυτά ο ισχυρισμός ότι η γεωθερμική

31 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 21 ενέργεια δεν είναι πραγματικά ανανεώσιμη δεν ευσταθεί καθώς το συνολικό γεωθερμικό δυναμικό είναι πάρα πολύ μεγάλο σε σχέση με τις καταναλωτικές ανάγκες του ανθρώπου και η γεωθερμική ενέργεια είναι πρακτικά ανανεώσιμη. Σχήμα 1.9 : Ισλανδία: γεωθερμικό πεδίο στην Κράπλα. [8] Σήμερα στην Ελλάδα, η εκμετάλλευση της γεωθερμίας γίνεται αποκλειστικά για χρήση της σε θερμικές εφαρμογές, οι οποίες είναι εξίσου σημαντικές με την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Ακόμα, λόγω του πλούσιου σε γεωθερμική ενέργεια υπεδάφους της χώρας μας, κυρίως κατά μήκος του ηφαιστειακού τόξου του Νοτίου Αιγαίου (Μήλος, Νίσυρος, Σαντορίνη), μπορεί να έχει ευρεία εφαρμογή για τη θερμική αφαλάτωση του θαλασσινού νερού με στόχο την απόληψη πόσιμου, κυρίως στις άνυδρες νησιωτικές και παραθαλάσσιες περιοχές. Μία τέτοια εφαρμογή έχει χαμηλότερο κόστος από εκείνο που απαιτείται για τον εφοδιασμό των περιοχών αυτών με πόσιμο νερό, μέσω υδροφόρων πλοίων. Επίσης, αξίζει να αναφέρουμε ότι γεωθερμία κατάλληλη για θέρμανση και αγροτικές εφαρμογές απαντάται σε μικρά βάθη σε πολλές περιοχές στις πεδιάδες της Μακεδονίας και της Θράκης. Υδροηλεκτρική ενέργεια Η δυναμική ενέργεια των υδάτων είναι από τις πιο παλιές μορφές ενέργειας που μετατράπηκαν σε άλλες μορφές ενέργειας για να αξιοποιηθούν και ήταν φυσικό να χρησιμοποιηθεί και στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι υδροηλεκτρικοί

32 22 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. σταθμοί σχεδιάζονται συνήθως για να εξυπηρετούν πολλούς σκοπούς, όπως ο έλεγχος της ροής του ποταμιού, η αποθήκευση νερού για άρδευση και πόση και διευκόλυνση της ναυσιπλοΐας του ποταμού. Το νερό στη φύση όταν βρίσκεται σε περιοχές με μεγάλο υψόμετρο και είναι συγκεντρωμένο σε οποιοδήποτε ύψος πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας έχει δυναμική ενέργεια η οποία μετατρέπεται σε κινητική όταν το νερό ρέει προς χαμηλότερες περιοχές. Μάλιστα, όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του αποθηκευμένου νερού και όσο υψηλότερα βρίσκεται, τόση περισσότερη είναι η ενέργεια που περιέχει. Σχήμα 1.10 : Το υδροηλεκτρικό έργο της Ημαθίας. [9] Πιο συγκεκριμένα, υπάρχει η δυνατότητα να «αποθηκεύσουμε» την ενέργεια του νερού συγκεντρώνοντας το σε τεχνητές λίμνες (ταμιευτήρες) σε μεγάλο υψόμετρο. Στη συνέχεια, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε αυτή την αποθηκευμένη ενέργεια, μέσω της μετατροπής της σε άλλη μορφή ενέργειας, αν αφήσουμε το νερό, το οποίο αποκτά μεγάλη κινητική ενέργεια εξαιτίας της υψομετρικής διαφοράς της δεξαμενής αποθήκευσης και του στροβίλου, να ρέει μέσα σε αγωγούς προς χαμηλότερες περιοχές όπου είναι εγκατεστημένος ο υδροηλεκτρικός σταθμός. Έτσι, το νερό, καθώς θα πέφτει με μεγάλη ταχύτητα, μπορεί να περιστρέψει μεγάλους τροχούς που έχουν πτερύγια στην περιφέρειά τους, τους υδροστροβίλους οι οποίοι μετατρέπουν την κινητική ενέργεια σε μηχανική, σε πρώτο στάδιο. Στη συνέχεια, η κίνηση αυτή των υδροστρόβιλων έχει ως αποτέλεσμα την περιστροφική κίνηση του δρομέα της γεννήτριας και την μετατροπή της ενέργειας από μηχανική σε ηλεκτρική. Στους υδροηλεκτρικούς σταθμούς (ΥΗΣ), η ηλεκτρική ενέργεια αποκτάται χωρίς ιδιαίτερο λειτουργικό κόστος και χωρίς να υπάρχει επιβάρυνση της ατμόσφαιρας.

33 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 23 Ωστόσο, το υψηλό κόστος των εργασιών των πολιτικών μηχανικών που έχουν αναλάβει την μελέτη και την κατάλληλη σχεδίαση τους αλλά και το πέρασμα μεγάλου χρονικού διαστήματος μέχρι την τελική αποπεράτωση τους(πέντε- οκτώ χρόνια) αποτελούν σημαντικά μειονεκτήματά τους. Επιπλέον, παρατηρείται η έντονη περιβαλλοντική αλλοίωση στην περιοχή του ταμιευτήρα (ενδεχόμενη μετακίνηση πληθυσμών, υποβάθμιση περιοχών, αλλαγή στη χρήση γης, στη χλωρίδα και πανίδα περιοχών αλλά και του τοπικού κλίματος, αύξηση σεισμικής επικινδυνότητας, κ.ά.). Έτσι, η διεθνής πρακτική σήμερα προσανατολίζεται στην κατασκευή μικρών φραγμάτων. Τύποι Υδροστροβίλων Ανάλογα με την τιμή της υψομετρικής διαφοράς h,χρησιμοποιούνται οι παρακάτω τρεις βασικοί τύποι στροβίλων στους σύγχρονους υδροηλεκτρικούς σταθμούς: a) Pelton: Χρησιμοποιούνται για μεσαία και μεγάλα ύψη πτώσης( m) και αποτελείται από έναν υδραυλικό τροχό με σκαφίδια, στο οποίο κατευθύνεται με μεγάλη ταχύτητα το νερό με ρυθμιζόμενης ροής ακροφύσια, είναι δηλαδή υδροστρόβιλος δράσης στον οποίο το νερό φθάνει αποκλειστικά με κινητική ενέργεια, μέσω αγωγών πίεσης. b) Francis: Χρησιμοποιείται για ύψος πίεσης από m και είναι υδροστρόβιλος αντίδρασης, δηλαδή το νερό έχει μικρή ταχύτητα και μεγάλη πίεση και κατά τη ροή του από τον τροχό μειώνεται η πίεση και αυξάνεται η ταχύτητα. Η αντίδραση, που προκαλείται από τη μεταβολή της ταχύτητας, περιστρέφει τον τροχό. Γύρω από τον τροχό υπάρχει ο ακίνητος μεριστής δηλαδή ένας αριθμός κινούμενων πτερυγίων, που ρυθμίζουν την ποσότητα του νερού και κατευθύνουν το νερό από τα πλάγια στα πτερύγια του τροχού. Με αυτόν τον τρόπο ρυθμίζεται τόσο η κινητική ενέργεια που παρέχεται στη γεννήτρια από τον υδροστρόβιλο όσο και η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια. Τέλος, πρέπει να αναφέρουμε ότι το νερό μεταφέρεται από τη δεξαμενή με υπόγειες σήραγγες. c) Kaplan:Είναι κατάλληλος για να λειτουργεί με τη φυσική ροή ποταμών και μικρές δεξαμενές αποθήκευσης, με ύψος πτώσης μέχρι και 61m.O συγκεκριμένος τύπος υδροστρόβιλων έχει στροφείο, που χρησιμοποιεί αξονική ροή νερού και μεταβλητό βήμα πτερυγίων για να ρυθμίζει την κινητική ενέργεια που παρέχει στη γεννήτρια. Στις αναπτυγμένες χώρες οι υδροηλεκτρικές πηγές έχουν αξιοποιηθεί σε σημαντικό βαθμό ενώ στις υποανάπτυκτες χώρες υπάρχουν περιθώρια πολύ μεγαλύτερης αξιοποίησης και σίγουρα στο μέλλον θα χρησιμοποιηθούν προκειμένου να ικανοποιήσουν το όλο και αυξανόμενο φορτίο τους. Σήμερα, η μεγαλύτερη υδροηλεκτρική μονάδα στον κόσμο είναι το Three Gorges Dam που βρίσκεται στην Κίνα και έχει εγκατεστημένη ισχύ 22.5 GW. Ακολουθεί το Itaipu Dam που βρίσκεται στην Βραζιλία και έχει εγκατεστημένη ισχύ 14 GW. Η μεγαλύτερη ηλεκτροπαραγωγική μονάδα στις ΗΠΑ, που είναι η τρίτη μεγαλύτερη

34 24 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. υδροηλεκτρική μονάδα στο κόσμο, είναι το Grand Coulee Dam και έχει εγκατεστημένη ισχύ 6.8 GW. Ενέργεια των Θαλάσσιων Κυμάτων Σχήμα 1.11 : Έλικες κάτω από τη θάλασσα για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στη Βρετανία. [10] Για περισσότερους από δύο αιώνες οι εφευρέτες αναζητούσαν τρόπους για να εκμεταλλευτούν τη δύναμη από τα κύματα και όμως ακόμα δεν έχουμε μια ευρεία εφαρμογή της δυνατότητας παραγωγής ενέργειας από τα κύματα ως γεννήτριες. Μπορούμε να εξαγάγουμε τη δύναμη χρησιμοποιώντας διάφορους και ποικίλους τρόπους όπως π.χ. καταδυόμενες αίθουσες πίεσης. Ομοίως δεν υπάρχει κανένα αξεπέραστο τεχνικό πρόβλημα. Ενώ υπάρχει μεγάλη δυσκολία σε ότι αφορά τη μηχανική, η επιστήμη παραγωγής ενέργειας από τα κύματα έχει τις λύσεις για κάθε πτυχή της τεχνολογίας. Στη πραγματικότητα το μόνο μακροπρόθεσμο πρόβλημα είναι το κόστος που κάθε καταναλωτής είναι πρόθυμος να πληρώσει Η κινητική ενέργεια των κυμάτων μπορεί να περιστρέψει την τουρμπίνα, όπως φαίνεται στο σχήμα. Η ανυψωτική κίνηση του κύματος πιέζει τον αέρα προς τα πάνω, μέσα στο θάλαμο και θέτει σε περιστροφική κίνηση την τουρμπίνα έτσι ώστε η γεννήτρια να παράγει ρεύμα. Αυτός είναι ένας μόνο τύπος εκμετάλλευσης της ενέργειας των κυμάτων. Η παραγόμενη ενέργεια είναι σε θέση να καλύψει τις ανάγκες μιας οικίας, ενός φάρου, κ.λπ.

35 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 25 Σχήμα 1.12: Περιστροφή της τουρμπίνας από την ενέργεια των κυμάτων. [11] Mια άλλη μέθοδος παραγωγής ενέργειας από τα κύματα και από τις αποτελεσματικότερες αυτή την στιγμή, λειτουργεί όπως μια μηχανή κυμάτων πισινών. Στη συγκεκριμένη μέθοδο, αντί της χρήσης των θαλάσσιων κυμάτων, η παραγωγή ενέργειας γίνεται από τα κύματα που δημιουργούνται τεχνητά στην πισίνα. Το σύστημα εκμεταλλεύεται την ταχύτητα του κύματος, το ύψος, το βάθος και τη ροή κάτω από το πλησιάζον κύμα, παράγοντας κατά συνέπεια την ενέργεια αποτελεσματικότερα και φθηνότερα από άλλα θαλάσσια κύματα και τις υπόλοιπες συμβατικές τεχνολογίες. Παλιρροϊκή Ενέργεια Η αξιοποίηση της παλιρροϊκής ενέργειας χρονολογείται από εκατοντάδες χρόνια πριν, αφού με τα νερά που δεσμεύονταν στις εκβολές ποταμών από την παλίρροια, κινούνταν νερόμυλοι. Ο τρόπος είναι απλός: Τα εισερχόμενα νερά της παλίρροιας στην ακτή κατά την πλημμυρίδα μπορούν να παγιδευτούν σε φράγματα, οπότε κατά την άμπωτη τα αποθηκευμένα νερά ελευθερώνονται και κινούν υδροστρόβιλο, όπως στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Τα πλέον κατάλληλα μέρη για την κατασκευή σταθμών ηλεκτροπαραγωγής είναι οι στενές εκβολές ποταμών. Η διαφορά μεταξύ της στάθμης του νερού κατά την άμπωτη και την πλημμυρίδα πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 μέτρα.

36 26 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Σχήμα 1.13 : Αξιοποίηση της παλιρροϊκής ενέργειας. [12] Μειονέκτημα της είναι το σχετικά υψηλό κόστος εγκατάστασης και οι περιορισμένες τοποθεσίες με επαρκώς υψηλά εύρη παλιρροιών και ταχυτήτων ροής. Εκτιμάται, ότι η παλιρροιακή ροή δημιουργεί σταδιακά απώλειες στην μηχανική ενέργεια του συστήματος Γης Σελήνης με αποτέλεσμα, όπως υποστηρίζουν οι επιστήμονες, την τελική επιβράδυνση της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής της Γης. Υπάρχουν τρείς τρόποι εκμετάλλευσης της παλιρροιακής ενέργειας. Ο πρώτος, είναι οι γεννήτριες παλιρροιακής ροής (tidal stream generators) οι οποίες εκμεταλλεύονται απευθείας την κινητική ενέργεια του νερού, όπως οι ανεμογεννήτριες την κινητική ενέργεια του ανέμου. Ο δεύτερος, είναι ο παλιρροιακός φράκτης (tidal barrage), ο οποίος αξιοποιεί την δυναμική ενέργεια που υπάρχει στην διαφορά του ύψους μεταξύ χαμηλών και υψηλών παλιρροιών. Σ αυτή τη κατηγορία, χρησιμοποιούνται οπωσδήποτε φράγματα κατά μήκος ολόκληρης της έκτασης που καταλαμβάνει η παλίρροια. Τέλος, ο τρίτος τρόπος, είναι αυτός της δυναμικής παλιρροιακής ισχύος (dynamic tidal power).πρόκειται για μια θεωρητική ακόμα τεχνολογία παραγωγής ενέργειας, η οποία θα αξιοποιεί την αλληλεπίδραση μεταξύ κινητικής και δυναμικής ενέργειας κατά τη διάρκεια της παλίρροιας. Σε αυτήν προτείνεται η κατασκευή πολύ μεγάλων φραγμάτων (μήκους km) από την ακτή κατ ευθείαν προς την ανοιχτή θάλασσα ή τον ωκεανό, χωρίς αυτά να περικλείουν καμία περιοχή. Οι διαφορές των φάσεων της παλίρροιας θα εφαρμόζονται κατά μήκος του φράγματος οδηγώντας σε μια σημαντική διαφορά της στάθμης του νερού στις ρηχές παράκτιες περιοχές. Το

37 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 27 γεγονός αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα ισχυρά ταλαντευτικά παλιρροιακά ρεύματα, παράλληλα προς την ακτή. Σήμερα οι μικροί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το θαλασσινό νερό βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο. Η ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να παραχθεί είναι ικανή να καλύψει τις ανάγκες μιας πόλης μέχρι και κατοίκων. Ο πρώτος παλιρροϊκός σταθμός κατασκευάσθηκε στον ποταμό La Rance στις ακτές της Βορειοδυτικής Γαλλίας το 1962 και οι υδροστρόβιλοί του μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια καθώς το νερό κινείται κατά τη μια ή την άλλη κατεύθυνση. Άλλοι τέτοιοι σταθμοί λειτουργούν στη Ρωσία, στη θάλασσα Barents και στον κόλπο Fuhdy της Νέας Σκωτίας. Επιπρόσθετα, το 2011 αποπερατώθηκε το μεγαλύτερο παλιρροιακό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσμο το οποίο βρίσκεται στην Νότια Κορέα και έχει εγκατεστημένη ισχύ 254 MW. Υπό κατασκευή βρίσκεται ένα παλιρροιακό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στη Κορέα το οποίο θα έχει εγκατεστημένη ισχύ 840 MW και εκτιμάται πως θα έχει αποπερατωθεί μέχρι το Τα Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα των ΑΠΕ Τα κύρια πλεονεκτήματα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), είναι τα εξής: Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από εξαντλήσιμους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτητοποίησης και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο Είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, δίνοντας τη δυνατότητα κάλυψης των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας έτσι τα συστήματα υποδομής και μειώνοντας τις απώλειες από τη μεταφορά ενέργειας Προσφέρουν τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων, καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα των ενεργειακών αναγκών των χρηστών (π.χ. ηλιακή ενέργεια για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών, αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή) Έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος που δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων

38 28 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Οι εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης των ΑΠΕ έχουν σχεδιαστεί για να καλύπτουν τις ανάγκες των χρηστών και σε μικρή κλίμακα εφαρμογών ή σε μεγάλη κλίμακα, αντίστοιχα, έχουν μικρή διάρκεια κατασκευής, επιτρέποντας έτσι τη γρήγορη ανταπόκριση της προσφοράς προς τη ζήτηση ενέργειας Οι επενδύσεις των ΑΠΕ είναι εντάσεως εργασίας, δημιουργώντας σημαντικό αριθμό νέων θέσεων εργασίας, ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο Μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση ανάλογων επενδύσεων (π.χ. θερμοκηπιακές καλλιέργειες με τη χρήση γεωθερμικής ενέργειας) Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινό Παρόλο που τα πλεονεκτήματα από τη χρήση των Ανανεώσιμών Πηγών Ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι πολύ σημαντικά τόσο σε επίπεδο περιβαλλοντικό όσο και σε οικονομικό και κοινωνικοπολιτικό, εντούτοις μπορούμε να παραθέσουμε και κάποια μειονεκτήματα: Το διεσπαρμένο δυναμικό τους είναι δύσκολο να συγκεντρωθεί, να μεταφερθεί και να αποθηκευτεί σε μεγάλες ποσότητες ισχύος. Η πυκνότητα ενέργειας και ισχύος που περιέχουν είναι γενικά περιορισμένη και γι αυτό για μεγάλες παραγωγές απαιτούν και μεγάλες εγκαταστάσεις. Ο συντελεστής εκμετάλλευσης των εγκαταστάσεων τους είναι μικρός(της τάξης του 30%) επειδή η διαθεσιμότητά τους είναι ενίοτε περιορισμένη και με διακυμάνσεις. Αυτό δημιουργεί επίσης την ανάγκη για χρήση εφεδρείας άλλων πηγών ενέργειας οπότε το κόστος παραγωγής ενέργειας ανεβαίνει. Το κόστος επένδυσης ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος ΑΠΕ είναι ακόμα σε υψηλά επίπεδα σε σχέση με αυτό των συμβατικών μορφών. 1.5 Αιολική ενέργεια Αιολική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Πιο συγκεκριμένα, οι άνεμοι δεν είναι τίποτα άλλο από κίνηση αερίων μαζών που προκαλείται από την θερμοκρασιακή διαφορά που

39 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 29 παρατηρείται από περιοχή σε περιοχή εξαιτίας της ανομοιομορφίας στην θέρμανση της επιφάνειας της γης από τον ήλιο. Η διαφορά αυτή στις θερμοκρασίες δημιουργεί ένα σύστημα υψηλών χαμηλών πιέσεων με αποτέλεσμα να θέτονται σε κίνηση οι αέριες μάζες, οι οποίες μετακινούνται από την περιοχή των χαμηλών βαρομετρικών στην περιοχή των υψηλών βαρομετρικών για να καλύψουν την θέση τους. Η αιολική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε άλλες μορφές ενέργειας με τη χρήση ανεμογεννητριών οι οποίες αφού δεσμεύσουν τον άνεμο σε ειδικά διαμορφωμένα πτερύγια, μετατρέπουν την κινητική ενέργεια αυτού αρχικά σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική. Η Αιολική ενέργεια, όπως αναφέρθηκε και προηγούμενα, ανήκει στις ήπιες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε) και αποτελεί μια «καθαρή» πηγή ενέργειας μιας και δεν εκπέμπει ούτε προκαλεί ρύπους. Η αρχαιότερη μορφή εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας ήταν τα ιστία (πανιά) των πρώτων ιστιοφόρων πλοίων και πολύ αργότερα οι ανεμόμυλοι στην ξηρά οι οποίοι χρησιμοποιούνταν σε αγροτικές εργασίες όπως η άλεση των δημητριακών και η άντληση νερού. Η χρήση της όμως άρχισε να ατονεί περίπου στις αρχές του αιώνα, λόγω της εμφάνισης άφθονων και φθηνών ορυκτών καυσίμων. Αργότερα, το ενδιαφέρον για την εκμετάλλευση της ενέργειας του ανέμου, κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, εκδηλώθηκε έντονα περί τα μέσα της δεκαετίας του 70 και ήταν αποτέλεσμα της πετρελαϊκής κρίσης, που είχε εν τω μεταξύ ξεσπάσει. Από τότε, μέχρι σήμερα υπάρχει μία συνεχώς αυξανόμενη τάση για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της εκμετάλλευσης της ενέργειας του ανέμου Ιστορική αναδρομή στην ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας Ιστορικά η αιολική ενέργεια αξιοποιήθηκε αρχικά από λαούς της Μεσοποταμίας, όπως τους Πέρσες οι οποίοι χρησιμοποιούσαν ανεμόμυλους κατακόρυφου άξονα ήδη από το 200 π. Χ. Μάλιστα, ο ανεμοτροχός του Ήρωνος του Αλεξανδρινού σηματοδοτεί μια από τις πρώτες γνωστές στιγμές στην ιστορία μιας ανεμοκίνητης μηχανής. Στη συνέχεια, παρατίθενται οι σημαντικότεροι χρονολογικά σταθμοί στην ιστορία της εξέλιξης των ανεμογεννητριών: Τον 7ο αιώνα οι πρώτοι ευρέως χρησιμοποιούμενοι ανεμόμυλοι κάνουν την εμφάνιση τους στο Σίσταν, μια περιοχή κοντά στο σημερινό Αφγανιστάν. Η χρήση τους ήταν για άλεσμα σιτηρών και άντληση ύδατος. Στην Ευρώπη κάνουν την εμφάνιση τους γύρω στο 11ο με 12ο αιώνα και χρησιμοποιούνται στο άλεσμα των δημητριακών.

40 30 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Στην Αμερική το 1850 εμφανίζεται ένα νέος είδος ανεμόμυλου με πολλά πτερύγια για άντληση ύδατος και κατακλύζει όλη την ύπαιθρο. Το 1887 ο Σκωτσέζος James Blyth έκανε πειράματα για την παραγωγή ηλεκτρισμού από την αιολική ενέργεια. Η πρώτη ανεμογεννήτρια ήταν μια συσκευή φόρτισης μπαταριών με την οποία τροφοδότησε την εξοχική κατοικία του. Το 1888 ο Αμερικάνος Charles Brush παρήγαγε ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας μια αιολική μηχανή ύψους 18 m που τροφοδοτούσε μια γεννήτρια 12 kw. Μέσα στη δεκαετία του 1890 ο Δανός Poul la Cour κατασκευάζει ανεμογεννήτριες και παράγει ηλεκτρισμό. Αυτές είναι οι πρώτες ανεμογεννήτριες που μοιάζουν με τις σημερινές. Στη δεκαετία του 1970 μεγάλες βιομηχανίες των ΗΠΑ συνεργάζονται με την NASA σε ένα ερευνητικό πρόγραμμα το οποίο σχεδίασε και δοκίμασε πολλά από τα χαρακτηριστικά των σύγχρονων ανεμογεννητριών. Το 1979 ξεκινά η σύγχρονη αιολική βιομηχανία. Το 1985 κατασκευάζονται ανεμογεννήτριες διαμέτρου πτερυγίων 15 m και ισχύος 500 kw. Το 2002 κατασκευάζονται ανεμογεννήτριες διαμέτρου πτερυγίων 112 m και ισχύος 4.5 MW ενώ το 2005 θα έχουμε την κατασκευή ανεμογεννητριών διαμέτρου πτερυγίων 126 m και ισχύος 5 MW. Από το 2007 μέχρι σήμερα ο Enercon E 126 είναι η μεγαλύτερης ισχύος ανεμογεννήτρια σε λειτουργία στο κόσμο με ονομαστική ισχύς 7.54 MW, ύψος 198 m και διάμετρο πτερυγίων 126 m. Το 2011 η εταιρία Vestas δημιουργεί ανεμογεννήτριες ισχύος 7 MW για υπεράκτια αιολικά πάρκα με διάμετρο πτερυγίων 164 m και μια επιφάνεια σάρωσης 21,000 m2. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η εξέλιξη των ανεμογεννητριών από το 1985 έως σήμερα.

41 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 31 Σχήμα 1.14 : Η εξέλιξη των ανεμογεννητριών με το πέρασμα του χρόνου. [13] Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα της αιολικής ενέργειας Η αιολική ενέργεια αποτελεί μια ελκυστική λύση στο πρόβλημα της ηλεκτροπαραγωγής μιας και η χρήση της σαν πηγή ενέργειας παρουσιάζει τεράστια οφέλη όχι μόνο σε ενεργειακό επίπεδο αλλά και σε οικονομικό, περιβαλλοντικό αλλά και κοινωνικό. Πιο αναλυτικά: Ο άνεμος είναι μια άφθονη, ανεξάντλητη πηγή ενέργειας, η οποία μάλιστα παρέχεται δωρεάν και δύναται να υπερκαλύψει τις ενεργειακές μας ανάγκες. Δεν εκλύει στην ατμόσφαιρα επικίνδυνους αέριους ρύπους, όπως μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του θείου, καρκινογόνα μικροσωματίδια κ.α., με αποτέλεσμα οι επιπτώσεις στο περιβάλλον να είναι απειροελάχιστες σε σχέση με τις αντίστοιχες που παρατηρούνται

42 32 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. στους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικά καύσιμα. Χαρακτηριστικά, η χρήση μιας ανεμογεννήτριας 600 kw αποτρέπει την απελευθέρωση 1200 τόνων διοξειδίου του άνθρακα ( ) ετησίως που θα αποβάλλονταν στο περιβάλλον σε περίπτωση χρήσης άλλης πηγής για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα οικονομικά οφέλη μιας περιοχής/χώρας από την ανάπτυξη της αιολικής βιομηχανίας είναι ιδιαίτερα αισθητά αφού όχι μόνο επιτυγχάνεται σε μεγάλο βαθμό η ενεργειακή αυτάρκεια αυτής αλλά και δημιουργούνται χιλιάδες νέες θέσεις εργασίας Συμβάλλει στην μείωση της εξάρτησης από συμβατικούς ενεργειακούς πόρους οι οποίοι εξαντλούνται ολοένα και περισσότερο με το πέρασμα των χρόνων. Μάλιστα, σήμερα, η αιολική ενέργεια αποτελεί τον βασικό εκπρόσωπο των εναλλακτικών προτάσεων σε σχέση με την οικονομία των πετρελαίων, έχοντας φέρει έναν άνεμο αλλαγής στα ενεργειακά και περιβαλλοντικά δεδομένα. Οι ανεμογεννήτριες χαρακτηρίζονται από απλότητα όσον αφορά την κατασκευή και την συντήρησή τους ενώ έχουν χαμηλό λειτουργικό κόστος αλλά και μεγάλη διάρκεια ζωής. Επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας από τη λειτουργία των ανεμογεννητριών και επομένως και των αιολικών πάρκων. Είναι γεγονός πως σε ένα μέσο αιολικό πάρκο, μια ανεμογεννήτρια θα έχει καταφέρει την πλήρη απόσβεση όλης της ενέργειας που έχει δαπανηθεί για την κατασκευή, την εγκατάσταση και τη λειτουργία της σε διάστημα μικρότερο των τριών μηνών. Βοηθά στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς ενέργειας. Με άλλα λόγια, η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας μέσω των ανεμογεννητριών βοήθησε έτσι ώστε το ηλεκτρικό ρεύμα να φτάσει και στις πιο δύσβατες και ορεινές περιοχές, κάτι που ήταν πολύ δύσκολο στο παρελθόν μιας και ήταν οικονομικά ασύμφορο. Ενισχύει την ενεργειακή ανεξαρτησία και ασφάλεια κάτι ιδιαίτερα σημαντικό για τη χώρα μας και την Ευρώπη γενικότερα. Ωστόσο παρά τα πολύ ουσιαστικά προαναφερθέντα πλεονεκτήματα, η αιολική ενέργεια παρουσιάζει και κάποια σημαντικά μειονεκτήματα που ως ένα βαθμό λειτουργούν αποτρεπτικά για την εξάπλωση των ανεμογεννητριών. Τα κυριότερα από αυτά αναφέρονται παρακάτω:

43 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 33 Οι ανεμογεννήτριες προκαλούν προβλήματα θορύβου. Ο εκπεμπόμενος θόρυβος μπορεί να υπαχθεί σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με την προέλευση του, δηλαδή μηχανικός που προέρχεται από τα περιστρεφόμενα μηχανικά τμήματα και αεροδυναμικός που προέρχεται από την περιστροφή των πτερυγίων. Παρόλα αυτά, θα πρέπει να τονίσουμε πως είναι ένα πρόβλημα πάνω στο οποίο γίνονται μελέτες προκειμένου να επιτευχθεί η μείωσή του. Πιο συγκεκριμένα, οι σύγχρονες μορφές των ανεμογεννητριών ενσωματώνουν τις πιο εξελιγμένες τεχνολογίες μείωσης του θορύβου ενώ τα αιολικά πάρκα εγκαθίστανται σε απόσταση μερικών εκατοντάδων μέτρων (τουλάχιστον) από τους γύρω οικισμούς έτσι ώστε να μην έχουμε επιπλέον αύξηση της ηχορύπανσης. Οι ανεμογεννήτριες δημιουργούν προβλήματα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών. Το κυριότερο προέρχεται από τα κινούμενα πτερύγια που μπορούν να προκαλέσουν αυξομείωση σήματος λόγω αντανακλάσεων. Παρόλα αυτά, σήμερα, η κατασκευή των πτερυγίων των συγχρόνων ανεμογεννητριών γίνεται αποκλειστικά από συνθετικά υλικά, τα οποία έχουν ελάχιστη επίπτωση στη μετάδοση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Παράλληλα, έχουν επιπτώσεις στον πληθυσμό των πουλιών(κυρίως των αποδημητικών)μιας και μπορεί να τα τραυματίσουν ή ακόμα και να τα θανατώσουν. Ωστόσο, κατά τη φάση σχεδιασμού και χωροθέτησης του αιολικού πάρκου λαμβάνεται υπόψη το θέμα της προστασίας του πληθυσμού των πουλιών κυρίως σε ευαίσθητες οικολογικά και προστατευόμενες περιοχές καθώς επίσης και σε περάσματα πουλιών. Παρουσιάζουν διακυμάνσεις ως προς την απόδοση ισχύος, γεγονός που οφείλεται στο μεταβλητό χαρακτήρα του ανέμου, η ένταση του οποίου μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της ημέρας, ου μήνα, του χρόνου. Έτσι, προκειμένου να επιτύχουμε τη βελτίωση της αξιοπιστίας της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος απαιτείται η συνδυαστική χρήση και άλλων πηγών ενέργειας μαζί με τις ανεμογεννήτριες. Εμφανίζει χαμηλή πυκνότητα ως μορφή ενέργειας και αρκετά μικρό συντελεστής απόδοσης της τάξης του 30% ή και χαμηλότερο. Συνεπώς, απαιτούνται πολλές ανεμογεννήτριες για την αξιόλογη παραγωγή ενέργειας αλλά και τον περιορισμό των διακυμάνσεων στο δίκτυο, γεγονός που σημαίνει μεγάλο αρχικό κόστος εφαρμογής σε μεγάλη επιφάνεια γης. Απαιτείται πολύς χρόνος για την έρευνα και τη χαρτογράφηση του αιολικού δυναμικού μεγάλων περιοχών ώστε να εντοπιστούν τα ευνοϊκά σημεία για την ανέγερση ανεμογεννητριών.

44 34 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ Τρέχουσα κατάσταση της αιολικής ενέργειας ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ Την τελευταία δεκαπενταετία, χρόνο με το χρόνο αυξάνεται ολοένα και περισσότερο η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που προκύπτει έπειτα από εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Μάλιστα, σύμφωνα με τα τελευταία στατιστικά στοιχεία από το Global Wind Energy Council (GWEC) που αφορούν τις χρονολογίες έχουμε μια σταδιακή αύξηση της παγκόσμιας εγκατεστημένης αιολικής ενέργειας, γεγονός που φανερώνει πως η αιολική ενέργεια είναι μία από τις πιο βασικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας των ημερών μας. Παρακάτω φαίνεται τo σχετικό διάγραμμα που αφορά την συνολική παγκόσμια εγκατεστημένη αιολική ισχύ για την περίοδο : Σχήμα 1.15 : Η παγκόσμια εγκατεστημένη αιολική ισχύς σε (MW) κατά τα έτη [14] Υπάρχουν πολλές χώρες παγκοσμίως που παράγουν ένα σημαντικό μέρος της αναγκαίας ηλεκτρικής ενέργειας εκμεταλλευόμενοι την αιολική ενέργεια. Από αυτές ξεχωρίζουν η Γερμανία, η Ισπανία και η Ιταλία σε ευρωπαϊκό επίπεδο, η Κίνα και η Ινδία στην Ασία και οι ΗΠΑ στην Αμερική. Ακολούθως, παραθέτουμε ένα σχήμα με τις χώρες με τη μεγαλύτερη παγκόσμια παραγωγή αιολικής ισχύος στο τέλος του 2012:

45 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 35 Σχήμα 1.16 : Οι χώρες με τη μεγαλύτερη παγκόσμια παραγωγή ισχύος. [15]

46 36 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. ΕΥΡΩΠΗ Η αιολική βιομηχανία, ήταν η περισσότερο αναπτυγμένη ανανεώσιμη ενεργειακή τεχνολογία στην Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) τα τελευταία χρόνια και συνεχίζει να είναι μέχρι και σήμερα, παρόλο που η οικονομική κρίση έχει επηρεάσει και αυτόν τον τομέα σε κάποιο βαθμό. Η αιολική ενέργεια αποτελεί μια μορφή ενέργειας ανταγωνιστική και με προοπτικές αρκεί να αναλογιστούμε ότι το θεωρητικό αιολικό δυναμικό της Ευρώπης, θα μπορούσε να καλύψει τις συνολικές ανάγκες της σε ηλεκτρισμό. Σχήμα 1.17 : Η εγκατεστημένη αιολική ισχύς ανά κράτος στην ευρωπαϊκή ένωση το έτος [16]

47 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 37 Σχήμα 1.18 : Συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ε.Ε. το [17] Στην Ευρωπαϊκή Ένωση των 28 χωρών, το έτος 2013 εγκαταστάθηκαν συνολικά 11,159 MW αιολικής ισχύος. Παρατηρήθηκε δηλαδή μια μείωση κατά 8 % σε σχέση με τις αντίστοιχες εγκαταστάσεις του έτους 2012, γεγονός που μπορεί να δικαιολογηθεί τόσο από την οικονομική κρίση που έχει κάνει την εμφάνιση της στο σύνολο των χωρών-μελών της ευρωπαϊκής ένωσης όσο και από την πολιτική αβεβαιότητα που επικρατεί. Επιπλέον, τα αποσταθεροποιημένα νομοθετικά πλαίσια που αφορούν την αιολική ενέργεια έχουν υπονομεύσει τις επενδύσεις. Ακόμα όμως και με αυτές τις δυσμενείς συνθήκες όσον αφορά την οικονομία και την νομοθεσία, η αιολική ενέργεια ήταν αυτή που προτιμήθηκε και εγκαταστάθηκε περισσότερο από οποιαδήποτε άλλη μορφή ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, η εγκατάσταση αιολικής ισχύος κατέλαβε το 2013 το 32% (11.2GW) της αγοράς των εγκαταστάσεων. Μάλιστα υπήρξε και μια σχετική αύξηση του 5% σε σχέση με τις αντίστοιχες εγκαταστάσεις του έτους Έτσι η αιολική ενέργεια έχει πλέον τη μερίδα του λέοντος όσον αφορά την παραγωγή ηλεκτρικής

48 38 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. ενέργειας. Ακολουθούν η ηλιακή ακτινοβολία (31%, 11 GW) και το φυσικό αέριο (22%, 7.5 GW) ενώ μικρότερα ποσοστά καταλαμβάνουν άλλες μορφές ενέργειας όπως η βιομάζα, το πετρέλαιο καυσίμων, η γεωθερμική, η υδροηλεκτρική κ.α. Σχήμα 1.19 : Το ποσοστό των πηγών ενέργειας (συμβατικών και μη) στις νέες εγκαταστάσεις στην ευρωπαϊκή αγορά για το έτος [18] Τέλος, 25,4 GW νέων εγκαταστάσεων με βάση τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια του Μάλιστα, αξίζει να αναφέρουμε ότι πάνω από το 72% των νέων εγκαταστάσεων στη Ευρώπη βασίζεται στην εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Αυτός είναι ο έκτος χρόνος που πάνω από το 55% των ευρωπαϊκών εγκαταστάσεων χρησιμοποιεί μη συμβατικές πηγές ενέργειας.

49 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 39 Οι ετήσιες εγκαταστάσεις αιολικής ισχύος στην Ευρώπη έχουν αυξηθεί τα τελευταία δεκατρία χρόνια από 3.2 GW που ήταν το έτος 2000 σε 11.2 GW το έτος 2013, με μια μέση ετήσια αύξηση της τάξης του 10%. Το σύνολο των 117.3GW αιολικής ισχύος που είναι τώρα εγκατεστημένα στην Ευρωπαϊκή Ένωση (το 2013) αποτελούν μια αύξηση της τάξης του 10% σε σχέση με τη συνολικά εγκατεστημένη αιολική ισχύς του προηγούμενου έτους (2012). Η Γερμανία (34.3GW) συνεχίζει να κατέχει τα πρωτεία στην Ευρώπη όσον αφορά την εγκατάσταση αιολικής ισχύος. Ακολουθούν η Ισπανία (23GW), το Ηνωμένο Βασίλειο (11GW), η Ιταλία (8.6GW) και η Γαλλία (8.3GW). Επιπλέον, ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι έντεκα ευρωπαϊκές χώρες έχουν παραπάνω από 1 GW εγκατεστημένης αιολικής ισχύος, (συμπεριλαμβανομένου και των δύο νέων χωρών-μελών της Ε.Ε, της Πολωνίας και της Ρουμανίας), ενώ οκτώ ευρωπαϊκές χώρες έχουν περισσότερα από 4GW εγκατεστημένης ισχύος (Δανία, Γαλλία, Γερμανία, Ιταλία, Πορτογαλία, Ισπανία, Σουηδία, Ηνωμένο Βασίλειο). Σχήμα 1.20 : O μέσος όρος των εγκαταστάσεων αιολικής ισχύος σε GW στην Ευρώπη και το ποσοστό συμμετοχής της κάθε χώρας. [19] Η αστάθεια που επικρατεί στη ευρωζώνη έχει ως αποτέλεσμα το 46% των νέων εγκαταστάσεων κατά τη διάρκεια του 2013 να έχει πραγματοποιηθεί μόνο στις χώρες της Γερμανίας και του Ηνωμένου Βασιλείου. Η συγκεντρωτικότητα αυτή που παρατηρείται στον τομέα των εγκαταστάσεων είναι αποτέλεσμα της οικονομικής ύφεσης που μαστίζει την Ευρώπη και έρχεται σε αντίθεση με ότι

50 40 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. γινόταν τα προηγούμενα χρόνια όπου παρατηρούνταν μια σχετική ομοιομορφία στην εγκατάσταση αιολικής ενέργειας. Παρόμοιες καταστάσεις συναντάμε μόνο το έτος 2007 όπου Δανία, Γερμανία και Ισπανία μαζί καταλαμβάνουν το 58% του συνόλου των νέων εγκαταστάσεων στην Ευρώπη εκείνη την εποχή. Μάλιστα αγορές όπως της Ισπανίας, της Ιταλίας και της Γαλλίας που μέχρι πρότινος ήταν διαρκώς αναπτυσσόμενες όσον αφορά την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας παρουσίασαν σημαντική μείωση στις εγκαταστάσεις αιολικής ισχύος της τάξης 84%, 65% και 24% αντίστοιχα. Οι υπεράκτιες αιολικές εγκαταστάσεις σημείωσαν το έτος 2013 αύξηση-ρεκόρ για τα δεδομένα τους (+1.6GW). Ωστόσο σύμφωνα με τους υπολογισμούς, η πορεία τους τα έτη 2014 και 2015 θα παραμείνει σταθερή, χωρίς περαιτέρω αύξηση. Η ευρωπαϊκή εγκατεστημένη ισχύς σε αιολικά συστήματα στο τέλος του 2013 μπορεί να παράγει σε μία κανονική αιολική χρονιά 257 TWh ενέργειας, ικανά να καλύψουν περίπου το 8% της ευρωπαϊκής ζήτησης. Μάλιστα σε σχέση με τον προηγούμενο χρόνο υπήρξε αύξηση μεγαλύτερη του 7% (όσον αφορά την κάλυψη της ζήτησης). Στόχοι της Ε.Ε. για την αιολική ενέργεια μέχρι το 2020, σύμφωνα με τον EWEA αποτελούν: 230 GW εγκατεστημένης ισχύος εκ των οποίων 190 GW χερσαία και 40 GW υπεράκτια. Κάλυψη του % της Ευρωπαϊκής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. Ετήσιες εγκαταστάσεις 24.8 GW και ετήσιες επενδύσεις της τάξης των 26.6 δισ.. Το 22.9% της ολικής ηλεκτρικής εγκατεστημένης ισχύος στην Ευρώπη να προέρχεται από αιολική ενέργεια. Παραγωγή 581 TWh ηλεκτρικής ενέργειας, ισοδύναμη με κατανάλωση 131 εκατ. μέσων Ευρωπαϊκών νοικοκυριών. Αποφυγή Mt CO2 ετησίως. Εξοικονόμηση κόστους καυσίμου 23.9 δισ. (υποθέτοντας κόστος πετρελαίου, όπως το προβλέπει ο IEA, ίσο με 97.4 $ το βαρέλι). Εξοικονόμηση 8.5 δισ. ετησίως, κόστος μόλυνσης σε CO2 (υποθέτοντας κόστος 25 /t εκπεμπόμενου CO2). ΕΛΛΑΔΑ Στην Ελλάδα, η ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας, αντιμετωπίζει μέχρι τώρα αρκετά προβλήματα, τα οποία έχουν ενταθεί λόγω της παγκόσμιας και εγχώριας οικονομικής κρίσης. Παρά τη σημαντική αύξηση της εγκατεστημένης ισχύος τα

51 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 41 προηγούμενα χρόνια, είναι κοινά αποδεκτό ότι αυτή η αύξηση είναι πολύ μικρή δεδομένου του πλούσιου αιολικού δυναμικού της χώρας μας. Σχήμα 1.21 : Συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς (ΜW) ανά έτος. [20] Σχήμα 1.22 : Εγκατεστημένη ισχύς αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα [21] Κύριος λόγος για τη μικρή ανάπτυξη μέχρι το 2001 ήταν το νομοθετικό καθεστώς και το μονοπωλιακό μοντέλο της οικονομίας στην παραγωγή ηλεκτρικής

52 42 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. ενέργειας. Μετά τις νομοθετικές αλλαγές στο χώρο των ΑΠΕ και την απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, η κατάσταση βελτιώθηκε σημαντικά. Η Ελλάδα εφαρμόζει το σύστημα feed- in και η νομοθεσία προσφέρει επιπλέον αρκετά ικανοποιητικά κίνητρα για τους επενδυτές. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το αυξημένο ενδιαφέρον των επενδυτών για ανάπτυξη πολλών MW αιολικής ενέργειας. Όμως το επενδυτικό ενδιαφέρον είναι φανερό ότι δεν είναι αρκετό. Χαρακτηριστικά, ο στόχος της χώρας μας για το 2010 ως προς την ηλεκτροπαραγωγή από αιολική ενέργεια ήταν η εγκατεστημένη ισχύς να φτάσει περίπου τα 3500 MW ενώ στο τέλος του 2010 η πραγματικά εγκατεστημένη ισχύς ανήλθε μόλις στα 1320 MW. Είναι φανερό ότι σε μια χώρα για την οποία υπάρχει στόχος και καλή θέληση ενώ και οι επενδυτικές προτάσεις δεν είναι λίγες, η ανάπτυξη των αιολικών πάρκων καθυστερεί σημαντικά, με αποτέλεσμα, ο στόχος να έχει πλέον μετατεθεί για το 2020 με εγκατεστημένη ισχύ που θα πρέπει να φτάσει περίπου τα 7500 MW. Οι προβλέψεις μέχρι τώρα δεν είναι ευοίωνες, οι καθυστερήσεις στην έκδοση αδειών παραγωγής και εγκατάστασης είναι σημαντικές και οι προβλέψεις είναι συγκρατημένες. Οι αιτίες για αυτές τις καθυστερήσεις είναι, η, τουλάχιστον μέχρι το 2009, μακροσκελής και περίπλοκη αδειοδοτική διαδικασία, η αδυναμία του δικτύου σε πολλές περιπτώσεις (π.χ. Εύβοια, Κρήτη) να υποστηρίξει επιπλέον εγκατεστημένη ισχύ, οι αντιδράσεις των κατοίκων κυρίως για θέματα οπτικής όχλησης και η έλλειψη χωροταξικού σχεδιασμού. Τα παραπάνω προβλήματα έχουν τεθεί υπό συζήτηση και έχουν καταβληθεί σημαντικές προσπάθειες για την επίλυση τους, όπως η δημιουργία, αρχικά, του νόμου 3468/2006, ο οποίος απλοποίησε κατά ένα μέρος τον τρόπο λήψης άδειας παραγωγής, και, σε δεύτερη φάση, του νόμου 3851/2010 ο οποίος έχει επιταχύνει σημαντικά την αδειοδοτική διαδικασία (ιδιαίτερα στο τμήμα της περιβαλλοντικής αδειοδότησης), χωρίς όμως να λείπουν και σε αυτή την περίπτωση κενά ή αντικρουόμενες αρμοδιότητες μεταξύ κρατικών φορέων. Επίσης, έχουν δρομολογηθεί επεκτάσεις και ενισχύσεις του δικτύου μεταφοράς ρεύματος, ένα έργο το οποίο ενδέχεται να βοηθήσει μακροπρόθεσμα και την αδειοδότηση αλλά και την γρήγορη εισαγωγή των έργων αιολικής ενέργειας στο δίκτυο. Τα προβλήματα των κοινωνικών αντιδράσεων, εφόσον αυτά οφείλονται σε οπτική όχληση από την ύπαρξη των ανεμογεννητριών είναι πάντα δύσκολο να αντιμετωπιστούν, υπό την έννοια ότι το αν σε κάποιον αρέσει ή όχι η όψη μιας ανεμογεννήτριας είναι κάτι το υποκειμενικό. Είναι βέβαιο όμως ότι ένας επενδυτής ο οποίος θα σχεδιάσει και θα τοποθετήσει τις ανεμογεννήτριες, αποφεύγοντας τις υπερβολές και τις μαζικές παρεμβάσεις στο τοπίο μιας περιοχής και με κατανόηση στις ιδιαιτερότητες των τοπικών κοινωνιών, θα αντιμετωπίσει και τα λιγότερα προβλήματα. Το θέμα του χωροταξικού σχεδιασμού οριοθετείται από το Ειδικό Πλαίσιο Χωροταξικού Σχεδιασμού για τις ΑΠΕ το οποίο από τις αρχές του Δεκέμβρη του 2008 βρίσκεται σε εφαρμογή και έχει ενταχθεί στην αδειοδοτική διαδικασία των αιολικών πάρκων. Στο ήδη προβληματικό περιβάλλον που περιγράφηκε για την ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα έχει προστεθεί το θέμα της οικονομικής κρίσης στην Ελλάδα, η οποία έχει δημιουργήσει προβλήματα στη χρηματοδότηση των

53 Κεφάλαιο 1: Ενέργεια & Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) 43 υπό ανάπτυξη έργων, με αποτέλεσμα την καθυστέρηση τους και, σε βάθος χρόνου, τη ματαίωση τους. Σχήμα 1.23 : Εγκατεστημένη Ισχύς (MW) ανά Περιφέρεια. [22]

54 44 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ.

55 Κεφάλαιο 2 Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 2.1 Θεωρητική προσέγγιση του Ανέμου Η ατμόσφαιρα που περιβάλλει τη γη αποτελείται από ένα μείγμα αέριων, στερεών και υγρών σωματιδίων, αυτό που αποκαλούμε αέρα. Απαραίτητη προϋπόθεση προκειμένου να υπάρξει κάποιο ρεύμα αέρος, έτσι ώστε να εκμεταλλευτούμε την κινητική του ενέργεια, είναι η εμφάνιση κάποιου είδους ανομοιογένειας είτε θερμικής είτε χωρικής. Αναλυτικότερα, ο ήλιος θερμαίνει με ανομοιόμορφο τρόπο την επιφάνεια της γης με αποτέλεσμα οι πόλοι να απορροφούν λιγότερη ενέργεια από ότι ο ισημερινός. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την διαφορετική θερμοχωρητικότητα που εμφανίζουν οι ωκεανοί από τη στεριά, δημιουργεί ένα παγκόσμιο ατμοσφαιρικό σύστημα μεταγωγής θερμότητας, που εκτείνεται από την επιφάνεια της Γης ως τη στρατόσφαιρα. Η στρατόσφαιρα δρα ως οροφή του συστήματος αυτού. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας, που έχει αποθηκευτεί στις κινήσεις των ανέμων, απαντάται κυρίως σε μεγάλα υψόμετρα, όπου πνέουν συνεχόμενοι άνεμοι με ταχύτητες μεγαλύτερες των 160 km/h. Τελικά, η ενέργεια των ανέμων μετατρέπεται σε θερμότητα λόγω της συνεχόμενης τριβής τους με τη στεριά και την ατμόσφαιρα. Η διεύθυνση και η ταχύτητα του ανέμου εξαρτώνται τόσο από ειδικούς παράγοντες (γενική ατμοσφαιρική κυκλοφορία, πεδίο πίεσης) όσο και από τοπικούς παράγοντες (ανάγλυφο της περιοχής, ύπαρξη θάλασσας). Η γενική ατμοσφαιρική κυκλοφορία οφείλεται στη διαφορετική θερμοκρασία μεταξύ πόλων και ισημερινού, στην περιστροφή της γης καθώς και στην ανομοιομορφία της θερμικής συμπεριφοράς ξηράς και θάλασσας. Για την επιλογή της κατάλληλης θέσης για την εγκατάσταση αιολικών συστημάτων πρέπει να είναι γνωστά και να έχουν μελετηθεί η ταχύτητα και η διεύθυνση του ανέμου, η επικρατούσα ανατάραξη της περιοχής, ο στροβιλισμός του ανέμου καθώς και η μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου συναρτήσει του ύψους από το έδαφος.

56 46 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ Μέση Ταχύτητα και Σχετική Κατανομή του Ανέμου Επειδή ο άνεμος δεν είναι ένα σταθερό φαινόμενο αλλά χρονικά μεταβαλλόμενο και επειδή δεν μεταβάλλεται με προκαθορισμένο τρόπο, αλλά με τυχαίο, για την περιγραφή του χρησιμοποιείται μια γνωστή κατανομή. Η κατανομή που ταιριάζει καλύτερα στην περιγραφή της ταχύτητας του ανέμου είναι η κατανομή Weibull της οποίας η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας δίνεται από την ακόλουθη σχέση: f(v) = Η συνάρτηση αυτή μπορεί να προσεγγίσει την ταχύτητα του ανέμου με πολύ μεγάλη ακρίβεια με μοναδική προϋπόθεση ότι αναφέρεται σε μια χρονική περίοδο αρκετά μεγάλη(περίοδοι αρκετών βδομάδων και μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα). Εξαρτάται από την παράμετρο κλίμακας c, η οποία καθορίζει την μέση ταχύτητα ανέμου και μετράται σε m/s και την παράμετρο μορφοποίησης k που συνήθως παίρνει τιμές από 1,5 έως 2,5. Στον Ελλαδικό χώρο συνήθως λαμβάνονται τιμές μεταξύ 1,5 και 2,0. Συχνά (όταν είναι γνωστή μόνο η μέση ταχύτητα του ανέμου) και επειδή είναι δύσκολος ο υπολογισμός της παραμέτρου μορφής, λαμβάνεται η τιμή k=2. Στην περίπτωση αυτή η κατανομή Weibull ονομάζεται κατανομή Rayleigh. Η κατανομή Rayleigh δεν είναι τίποτα άλλο από ένα υποσύνολο της κατανομής Weibull. Χαρακτηρίζεται από ικανοποιητική ακρίβεια και σχετική απλότητα μιας και εξαρτάται μόνο από την παράμετρο κλίμακας c η οποία με τη σειρά της εξαρτάται αποκλειστικά από την μέση ταχύτητα του ανέμου. Η μέση ταχύτητα του ανέμου υπολογίζεται ως η αναμενόμενη τιμή μιας συνεχούς τυχαίας μεταβλητής και δίνεται από τον παρακάτω τύπο: = = Γ( ) όπου Γ είναι η γάμμα εξίσωση του Euler: Γ(z)= Επομένως, για k=2 προκύπτει ότι: c= αφού Γ ( ) =

57 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 47 Στο παρακάτω σχήμα παρατίθεται το διάγραμμα της συνάρτησης κατανομής Rayleigh για διαφορετικές μέσες τιμές ταχύτητα ανέμου: Σχήμα 2.1: Διάγραμμα πυκνότητας πιθανότητας για διάφορες τιμές της μέσης ταχύτητας ανέμου Ισχύς του Ανέμου και Αεροδυναμικός Συντελεστής Ισχύος Για τον υπολογισμό της ισχύος του ανέμου, θεωρούμε μια αέρια μάζα m στιγμιαίας ταχύτητας v(t). Η κινητική ενέργεια του ανέμου ισούται με: (t) = m (t) Εάν το Α είναι το εμβαδόν της επιφάνειας που διαπερνά κάθετα ο άνεμος και ρ η πυκνότητα της αέριας μάζας, τότε η ανά μονάδα χρόνου μάζα του αέρα είναι: m(t) = ρ Α v(t)

58 48 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Επομένως, από τις δύο παραπάνω σχέσεις συνεπάγεται ότι η στιγμιαία ισχύς του ανέμου (ενέργεια ανά μονάδα χρόνου) περιγράφεται από την παρακάτω σχέση: = ρ Α (t) Από την τελευταία σχέση προκύπτει πως η ισχύς του ανέμου είναι ανάλογη της πυκνότητας του αέρα, της επιφάνειας που σαρώνει αλλά και του κύβου της ταχύτητας του. Η πυκνότητα του αέρα εξαρτάται από την πίεση και τη θερμοκρασία, στοιχεία τα οποία είναι συναρτήσει της υψομετρικής διαφοράς από το επίπεδο της θάλασσας Αεροδυναμικός Συντελεστής Ισχύος Η πραγματική τιμή της διαθέσιμης ισχύς ανέμου προς αξιοποίηση διαφέρει από αυτή που προκύπτει θεωρητικά. Αυτό συμβαίνει γιατί στην περίπτωση που υπήρχε πλήρη εκμετάλλευση της θεωρητικής ενέργειας αυτό θα συνεπαγόταν ταυτόχρονα με το μηδενισμό της κινητικής ενέργειας της αέριας μάζας στο σημείο των πτερυγίων του ανεμοκινητήρα. Κάτι τέτοιο όμως θα οδηγούσε σε συμφόρηση των επερχόμενων αέριων μαζών στο σημείο τομής τους. Στην πραγματικότητα, ο άνεμος απομακρύνεται από τα πτερύγια του ανεμοκινητήρα με κάποια ταχύτητα ενώ τα πτερύγια προκαλούν και μιας περιορισμένης έκτασης εκτροπή μέρους της αέριας μάζας, το οποίο παρακάμπτει τον ανεμοκινητήρα χωρίς να τον διαπεράσει μιας και το φαινόμενο της συμφόρησης της αέριας μάζας εμφανίζεται σε περιορισμένο βαθμό. Προκύπτει, έτσι, συντελεστής ισχύος του ανεμοκινητήρα που ορίζεται ως εξής: = όπου είναι η μηχανική ισχύς που παράγεται Η μέγιστη τιμή του συντελεστή αεροδυναμικής απόδοσης του ανεμοκινητήρα καλείται όριο του Betz και ισούται με: = ή 59% Στην πραγματικότητα και λόγω των διαφόρων μορφών απωλειών που εμφανίζονται με τη μορφή μηχανικών τριβών, στροβίλων ή αεροδυναμικών

59 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 49 ατελειών, η μέγιστη τιμή του κυμαίνεται μεταξύ 0.4 και 0.5. Επιπλέον, πρέπει να αναφέρουμε ότι ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος δεν είναι σταθερός μιας και εξαρτάται τόσο από το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίων λ όσο και από τη γωνία βήματος του πτερυγίου β. Έτσι, η τιμή του (λ,β) μπορεί να δοθεί προσεγγιστικά από τον παρακάτω τύπο: (λ,β) = 0.22 ( - 0.4β 5 ) όπου για το ισχύει: = Ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου εκφράζει τη γραμμική ταχύτητα στο άκρο του πτερυγίου ως ποσοστό της ταχύτητας του ανέμου και δίνεται από την σχέση: λ = όπου η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του ρότορα (rad/sec) R η ακτίνα του πτερυγίου (m) v η ταχύτητα του ανέμου (m/s) Το βήμα του πτερυγίου β είναι η γωνία που αυτό διαγράφει γύρω από τον άξονα του. Όπως γίνεται αντιληπτό από τους παραπάνω τύπους, η μεταβλητή β είναι πολύ σημαντική στον έλεγχο της παραγομένης ισχύος από την ανεμογεννήτρια, διότι αυτή μαζί με το λ καθορίζουν τον αεροδυναμικό συντελεστή Cp και συνεπώς την απορροφούμενη από τον άνεμο ισχύ Pm. Τον έλεγχο της γωνίας βήματος θα τον αναλύσουμε παρακάτω σε ξεχωριστό κεφάλαιο. Ωστόσο, σε αυτό το σημείο αξίζει να αναφέρουμε ότι δεδομένου πως ο συντελεστής ισχύος είναι συνάρτηση των λ, β, για κάθε ταχύτητα του ανέμου πρέπει η γωνιακά ταχύτητα του δρομέα της μηχανής να παίρνει μια τιμή τέτοια που να συμβάλλει στη βελτιστοποίηση του λ και β, αντίστοιχα. Με τον τρόπο αυτό, επιτυγχάνεται η μέγιστη απομάστευση ισχύος από την ανεμογεννήτρια. Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται ο συντελεστής ισχύος Cp συναρτήσει των λ και β. Η μέγιστη τιμή του Cp αντιστοιχεί σε β=0. Έτσι, για β=0 παίρνουμε τη βέλτιστη τιμή για Cp, λ και λi και έχουμε: λi = 8.12 και λopt = Κάνοντας χρήση των παραπάνω τιμών για τις μεταβλητές λ, λi και β προκύπτει η βέλτιστη τιμή για το Cp που είναι η Cp,opt =

60 50 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Σχήμα 2.2 : Καμπύλες Αεροδυναμικού Συντελεστή Ισχύος συναρτήσει των λ και β Συμπερασματικά, θα μπορούσαμε να πούμε ότι η αεροδυναμική ποιότητα του δρομέα παρουσιάζεται μέσω του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος Cp και εξαρτάται ουσιαστικά από τον αεροδυναμικό σχεδιασμό των πτερυγίων, μέσω των οποίων γίνεται ουσιαστικά η απορρόφηση της αιολικής ισχύος. 2.2 Ανεμογεννήτριες Δομή - Περιγραφή των Ανεμογεννητριών Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται ένα γενικό σύστημα μιας ανεμογεννήτριας (Οριζόντιου Άξονα). Αν και δεν υφίσταται κάποια γενική μέθοδος για την ταξινόμηση των υποσυστημάτων των Α/Γ, οι συνιστώσες του σχήματος θα μπορούσαν να διαιρεθούν σε τέσσερα (4) βασικά υποσυστήματα: 1. Τον δρομέα, συνήθως αποτελούμενο από δύο ή τρία πτερύγια, μια πλήμνη μέσω της οποίας συνδέονται τα πτερύγια με τον χαμηλής ταχύτητας κινητήριο άξονα και, μερικές φορές, υδραυλικά ή μηχανικά οδηγούμενα συστήματα συνδέσμων για τη μεταβολή του βήματος του συνόλου ή μέρους των πτερυγίων. 2. Την άτρακτο, η οποία γενικά περιλαμβάνει ένα μετατροπέα στροφών και μία γεννήτρια, άξονες και συνδέσμους, ένα κάλυμμα για ολόκληρη την άτρακτο, και συχνά ένα μηχανικό δισκόφρενο και ένα σύστημα εκτροπής.

61 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες Τον πύργο και τη θεμελίωση που στηρίζει το δρομέα και το σύστημα μετάδοσης της κίνησης (άτρακτος). 4. Τους ηλεκτρικούς ελεγκτές και καλωδιώσεις, καθώς και τον εξοπλισμό εποπτείας και ελέγχου. Σχήμα 2.3 : Σχηματική αναπαράσταση μιας ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα. Η ακολουθία των συμβάντων κατά την παραγωγή και μεταφορά της αιολικής ισχύος από μια ανεμογεννήτρια μπορεί να συνοψιστεί ως εξής : Αρχικά, καθώς ο άνεμος αλληλεπιδρά με το δρομέα της Α/Γ παράγεται μια ροπή. Στη συνέχεια, η σχετικά χαμηλή συχνότητα περιστροφής του δρομέα αυξάνεται μέσω ενός μετατροπέα στροφών (κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών), του οποίου ο άξονας εξόδου περιστρέφει μια γεννήτρια. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τη γεννήτρια διέρχεται μέσω του συστήματος ελέγχου και των αποζευκτών της ανεμογεννήτριας και ενισχύεται σε μια μέση τάση από το μετασχηματιστή. Έπειτα, το σύστημα καλωδίωσης της θέσης μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια στο μετασχηματιστή της θέσης μέσω του συστήματος ελέγχου και αποζευκτών της θέσης, ο οποίος ενισχύει την τάση στην τιμή του δικτύου. Τέλος, το δίκτυο ισχύος μεταβιβάζει τον ηλεκτρισμό στην περιοχή τελικής χρήσης του. Μάλιστα, υποσταθμοί μετασχηματιστών μειώνουν την τάση στις οικιακές ή

62 52 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. βιομηχανικές τιμές και τα τοπικά δίκτυα χαμηλής τάσης μεταβιβάζουν την ηλεκτρική ενέργεια στις οικίες, τα γραφεία και τα εργοστάσια Περιεχόμενα της ατράκτου της ανεμογεννήτριας Σχήμα 2.4 : Περιεχόμενα ατράκτου Η άτρακτος στεγάζει το σύστημα μετάδοσης της κίνησης και την ηλεκτρογεννήτρια της ανεμογεννήτριας, μαζί με το μηχανισμό εκτροπής και όλο τον εξοπλισμό ελέγχου. Στο παραπάνω σχήμα παρουσιάζονται σχηματικά οι μηχανισμοί της ατράκτου μιας μέσου-μεγάλου μεγέθους ανεμογεννήτριας. Το προσωπικό συντήρησης μπορεί να εισέλθει στην άτρακτο από τον πύργο της ανεμογεννήτριας. Στη συνέχεια, γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση του εξοπλισμού που εγκλείεται στην άτρακτο μιας τυπικής ανεμογεννήτριας και αναλύονται τα πιο βασικά από τα περιεχόμενα του εξοπλισμού αυτού. Tα περιεχόμενα της ατράκτου μιας ανεμογεννήτριας φαίνονται στο παραπάνω σχήμα και είναι τα παρακάτω:

63 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες Πτερύγιο 2. Πλήμνη του άξονα περιστροφής 3. Το πλαίσιο της ατράκτου 4. Κύριο ρουλεμάν 5. Άξονας του ρότορα 6. Κιβώτιο ταχυτήτων 7. Φρένο ασφαλείας 8. Σημείο σύζευξης με τη γεννήτρια 9. Γεννήτρια 10. Δοχείο ψύξης γεννήτριας και κιβωτίου ταχυτήτων 11. Αισθητήρες ανέμου 12. Έλεγχος ατράκτου 13. Υδραυλικό σύστημα περιστροφής 14. Κινητήρας περιστροφής 15. Ρουλεμάν περιστροφής 16. Κέλυφος ατράκτου 17. Πύργος Αναλυτικότερα: Κύριος άξονας: Ο κύριος άξονας, προκειμένου να μεταφέρει την αρχική ροπή από το σύστημα του δρομέα στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης, στηρίζεται συνήθως σε έδρανα. Λόγω των υψηλών φορτίων ροπής, ο κύριος άξονας είναι ευπαθής σε αστοχία κόπωσης. Κατά συνέπεια, γι' αυτό το εξάρτημα είναι ενδεδειγμένες οι αποτελεσματικές προ-συντήρησης, μηκαταστρεπτικές δοκιμές. Σε μια σύγχρονη ανεμογεννήτρια 600 kw ο δρομέας περιστρέφεται σχετικά αργά, με περίπου 19 έως 30 περιστροφές ανά λεπτό (RPM). Δισκόφρενο: Το δισκόφρενο μπορεί να εγκαθίσταται στον κύριο άξονα πριν από το μετατροπέα στροφών ή μετά από αυτόν στον άξονα υψηλής ταχύτητας. Στη δεύτερη περίπτωση, απαιτείται ένα πιο μικρό (και φθηνότερο) σύστημα πέδης προκειμένου να παρέχεται η απαραίτητη ροπή για την επιβράδυνση του δρομέα. Εντούτοις, αυτή η διάταξη δεν παρέχει άμεσο έλεγχο του δρομέα και, σε περίπτωση αστοχίας του μετατροπέα στροφών, χάνεται η δυνατότητα ελέγχου της πέδησης του δρομέα.

64 54 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Μετάδοση της κίνησης: Η ηλεκτρική παραγωγή των ανεμογεννητριών πρέπει να είναι συμβατή με τη συχνότητα (50-60 Ηz) και την τάση του τοπικού δικτύου διανομής. Η συχνότητα του δρομέα είναι συνήθως περίπου 0,5 Ηz, οπότε η αύξηση της συχνότητας προκύπτει από το συνδυασμό ενός μετατροπέα στροφών και μιας πολυπολικής γεννήτριας. Οι περισσότερες εμπορικές γεννήτριες έχουν 4 ή 6 ζεύγη πόλων, οπότε απαιτείται σχέση μετάδοσης περίπου 25:1. Η απλούστερη μέθοδος οδήγησης της γεννήτριας είναι η απευθείας από το δρομέα χωρίς μετατροπέα στροφών, ενώ όταν εξαλείφονται οι απώλειες ισχύος του μετατροπέα στροφών βελτιστοποιείται και η απόδοση της ενεργειακής μετατροπής. Στην περίπτωση αυτή όμως απαιτούνται ειδικές γεννήτριες χαμηλής ταχύτητας, με μεγάλες διαμέτρους ρότορα/στάτορα και περίπου πενήντα(50) πόλους, για να επιτευχθεί η κατάλληλη συχνότητα. Ωστόσο, τέτοιος εξοπλισμός διατίθεται στο εμπόριο από μικρό μόνο αριθμό κατασκευαστών. Οι μικρού μεγέθους ανεμογεννήτριες ( kw) διαθέτουν μια ή δύο βαθμίδες μετάδοσης παράλληλου άξονα (με ελικοειδή γρανάζια για ελαχιστοποίηση του θορύβου και των απωλειών). Από την άλλη πλευρά, οι μεγαλύτερες εμπορικές ανεμογεννήτριες ( kw) συχνά διαθέτουν επικυκλικά ή πλανητικά συστήματα μετάδοσης της κίνησης, όπου ο άξονας της εξόδου είναι στην ίδια ευθεία με τον κύριο άξονα (έτσι μειώνονται οι τάσεις και οι απώλειες στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης), με αντίστοιχη μείωση του μεγέθους. Ηλεκτρογεννήτρια: Αυτή μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια του άξονα εισόδου σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι γεννήτριες των ανεμογεννητριών είναι λίγο ασυνήθιστες, σε σχέση με άλλες μονάδες ηλεκτρογεννητριών που συνήθως συνδέονται με το ηλεκτρικό δίκτυο. Ένας λόγος γι' αυτό είναι ότι, αυτές πρέπει να είναι συμβατές με τις διατάξεις του δρομέα και του μετατροπέα στροφών στην είσοδο, και στην έξοδο με τη διανομή της εταιρείας ηλεκτρισμού (εάν συνδέονται με το δίκτυο) ή με τις τοπικές απαιτήσεις ισχύος (εάν αποτελούν μέρος ενός αυτόνομου συστήματος). Εάν μια διασυνδεδεμένη ανεμογεννήτρια είναι εξοπλισμένη με μια ηλεκτρογεννήτρια εναλλασσομένου ρεύματος (ΕΡ), αυτή πρέπει να παράγει ισχύ σε φάση με την τροφοδοσία του δικτύου της εταιρείας ηλεκτρισμού. Πολλές διασυνδεδεμένες ανεμογεννήτριες διαθέτουν επαγωγικές γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος διεγειρόμενες από πυκνωτές, των οποίων το ρεύμα μαγνήτισης προέρχεται από το δίκτυο, και έτσι εξασφαλίζεται ότι η συχνότητα εξόδου της γεννήτριας ταυτίζεται με αυτή της εταιρείας ηλεκτρισμού, ενώ ρυθμίζεται και η ταχύτητα του δρομέα εντός κάποιων ορίων. Οι σύγχρονες γεννήτριες παράγουν ηλεκτρισμό σε συγχρονισμό με τη συχνότητα του περιστρεφόμενου άξονά τους, οπότε η ταχύτητα του δρομέα πρέπει να συμπίπτει ακριβώς με τη συχνότητα

65 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 55 εφοδιασμού της εταιρείας ηλεκτρισμού. Οι πολύ μικρές ανεμογεννήτριες μπορεί να έχουν γεννήτριες που παράγουν συνεχές ρεύμα, το οποίο χρησιμοποιείται έπειτα για την τροφοδοσία φορτίων χαμηλής τάσης (συνήθως 12 Volt), τη φόρτιση συστοιχιών μπαταριών ή, μέσω ενός αντιστροφέα, για την παροχή εναλλασσόμενου ρεύματος υψηλότερης τάσης σ' ένα ηλεκτρικό δίκτυο. Σύστημα εκτροπής: Προκειμένου να εξαχθεί όσο το δυνατόν περισσότερη από την κινητική ενέργεια του ανέμου, ο άξονας του δρομέα πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένος με την κατεύθυνση του αέρα. Οι μικρές ανάντη Α/Γ (μέχρι 25 kw) χρησιμοποιούν συνήθως ουραίους ανεμοδείκτες για να παραμένει η μηχανή ευθυγραμμισμένη με τον άνεμο. Εντούτοις, οι μεγαλύτερες Α/Γ με ανάντη δρομείς απαιτούν ενεργό έλεγχο της εκτροπή για την ευθυγράμμιση της μηχανής με τον άνεμο. Όταν συμβεί μια αλλαγή στην κατεύθυνση του ανέμου αισθητήρες ενεργοποιούν το μηχανισμό ελέγχου της εκτροπής, ο οποίος περιστρέφει την άτρακτο και το δρομέα έως ότου ευθυγραμμιστεί κατάλληλα η Α/Γ. Οι κατάντη μηχανές όλων των μεγεθών μπορεί να διαθέτουν παθητικό έλεγχο εκτροπής, δηλαδή μπορούν να ευθυγραμμίζονται με την κατεύθυνση του ανέμου από μόνες τους χωρίς την ανάγκη ύπαρξης ουραίου ανεμοδείκτη ή οδηγού εκτροπής Κατηγορίες Ανεμογεννητριών Στις μέρες μας, υπάρχουν πολλά είδη ανεμογεννητριών τα οποία έχει καθιερωθεί να κατατάσσονται ανάλογα με τον προσανατολισμό του άξονα τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου σε δύο μεγάλες κατηγορίες: α) τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα και β) τις ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα Οι ανεμογεννήτριες που ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία έχουν τον άξονα περιστροφής τους κάθετο ως προς το επίπεδο του εδάφους και κατακόρυφο ως προς τη ροή του ανέμου.

66 56 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Σχήμα 2.5 : Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα. [23] Tα κύρια πλεονεκτήματα που εμφανίζουν είναι τα εξής: δεν απαιτείται μηχανισμός προσανατολισμού μιας και ο τρόπος κατασκευής τους είναι τέτοιος ώστε η λειτουργία της μηχανής να είναι αποτελεσματική ανεξάρτητα από τη διεύθυνση ανέμου. Με άλλα λόγια, οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα έχουν την ικανότητα να περιστρέφονται από οποιασδήποτε κατεύθυνσης άνεμο κάθε χρονική στιγμή. Μάλιστα, το γεγονός αυτό καθιστά ευνοϊκή τη χρήση τους σε μέρη όπου η κατεύθυνση του ανέμου δεν είναι σταθερή και μεταβάλλεται συνεχώς. παρέχουν την δυνατότητα τοποθέτησης της γεννήτριας στο έδαφος, γεγονός που συμβάλλει στην επίτευξη μιας πιο απλής αλλά και οικονομικής σχεδίασης του πύργου και καθιστούν τον έλεγχο βήματος μη απαραίτητο όταν χρησιμοποιούνται σύγχρονες γεννήτριες Υπάρχουν, ωστόσο, και αρκετά σημαντικά μειονεκτήματα που καθιστούν τις ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα όχι και τόσο δημοφιλείς στην σύγχρονη εποχή μιας και πάσχουν σοβαρά όσον αφορά την λειτουργικότητα τους. Πιο συγκεκριμένα: παρουσιάζουν δυσκολία στην εκκίνηση σε περιπτώσεις ανέμων χαμηλής εντάσεως, εξαιτίας της πολύ μεγάλης ροπής εκκίνησης που έχουν. Έτσι,

67 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 57 στην περίπτωση αυτή, αναγκαστικά θα λειτουργούν αρχικά ως κινητήρες και θα τραβάνε ρεύμα από το δίκτυο. εμφανίζουν χαμηλό συντελεστή αεροδυναμικής απόδοσης. Αυτό παρατηρείται σε μεγάλο βαθμό στον τύπο ανεμογεννητριών Savonius όπου η απόδοση δεν ξεπερνά το 15% αλλά και στους άλλους τύπους σε μικρότερο βαθμό. Οι πιο γνωστοί τύποι ανεμογεννητριών κάθετου άξονα είναι οι Savonius και Darrieus. Οι ανεμογεννήτριες τύπου Savonius είναι οι απλούστερες κατασκευαστικά. Οι ανεμογεννήτριες τύπου Darrieus βελτιώνουν σημαντικά την απόδοση, χωρίς όμως ποτέ να φτάνουν την απόδοση μιας σωστά σχεδιασμένης ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα έχουν προσανατολισμένο τον άξονα περιστροφής τους οριζόντια ως προς το επίπεδο του εδάφους και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Σχήμα 2.6 : Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα. [24]

68 58 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Με άλλα λόγια, τα πτερύγια των ανεμογεννητριών αυτού του είδους είναι εκείνα που περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα που είναι παράλληλα προς το έδαφος. Σήμερα, οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα είναι εξαιρετικά δημοφιλείς, κατέχοντας την συντριπτική πλειοψηφία στις αγορές. Βασικά πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα είναι: ο υψηλός συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος και η ευκολία στη συναρμολόγηση που παρουσιάζουν η ικανότητα τους να λειτουργούν ακόμα και σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα δεν απαιτούν πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, με αποτέλεσμα και στις πιο μικρές ταχύτητες ανέμου να έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Βασικό τους μειονέκτημα αποτελεί η ανάγκη ύπαρξης της γεννήτριας και του κιβωτίου ταχυτήτων εντός της ατράκτου (απαιτείται η τοποθέτησή τους πάνω στον πύργο) πράγμα που αυξάνει σημαντικά το βάρος της κατασκευής και απαιτεί ειδική στήριξη. Επιπλέον, σε σχέση με τις ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα, εδώ τώρα απαιτείται προσανατολισμός στην κατεύθυνση του ανέμου μέσω ενεργού μηχανισμού περιστροφής. Σήμερα, οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες ανεμογεννήτριες είναι οριζόντιου άξονα με τρία πτερύγια και ονομαστική ισχύ MW. Η δομή μιας τέτοιας ανεμογεννήτριας περιλαμβάνει τον πύργο στήριξης πάνω στον οποίο βρίσκεται η άτρακτος και εντός αυτής το κιβώτιο ταχυτήτων εάν υπάρχει, η γεννήτρια, ενδεχομένως τα ηλεκτρονικά ισχύος μαζί με το κομμάτι του ελέγχου. Επίσης, υπάρχει το φρένο, το ανεμόμετρο, ο ανεμοδείκτης και ο μηχανικός έλεγχος. Στην άτρακτο προσαρμόζεται και ο ρότορας. Ενώ, στον πύργο στήριξης υπάρχει και ο μηχανισμός περιστροφής της ατράκτου Τύποι Ανεμογεννητριών Όπως είδαμε και προηγουμένως, οι πιο συνηθισμένες ανεμογεννήτριες είναι οριζοντίου άξονα και τριών πτερυγίων. Όμως και αυτές μπορούμε να τις διακρίνουμε σε δύο κατηγορίες ανάλογα με την γωνιακή ταχύτητα του ρότορα τους σε: (α) (β) Ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών και Ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών.

69 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες Οι Ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών (Σταθερής Ταχύτητας) Στις ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών η περιστροφική ταχύτητα του δρομέα τους παραμένει σταθερή και είναι ανεξάρτητη της ταχύτητας του ανέμου. Αντίθετα, η ταχύτητα αυτή εξαρτάται τόσο από την συχνότητα του δικτύου όσο και από τον λόγο του κιβωτίου ταχυτήτων. Επιπλέον, καθορίζεται και από διάφορα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά της γεννήτριας όπως είναι ο τύπος της χρησιμοποιούμενης μηχανής, ο αριθμός των ζευγών πόλων που αυτή διαθέτει κ.α. Σήμερα, βασικός εκπρόσωπος της τεχνολογίας των σταθερών στροφών είναι οι επαγωγικές μηχανές βραχυκυκλωμένου κλωβού(scig-squirrel Cage Induction Generator),διότι είναι φθηνές, σθεναρές και αξιόπιστες. Σε αυτές τις περιπτώσεις η μηχανή είναι απευθείας συνδεδεμένη με το ηλεκτρικό δίκτυο. Εδώ πρέπει να αναφέρουμε ότι οι επαγωγικές μηχανές που χρησιμοποιούνται σ αυτήν την κατηγορία έχουν μεγάλες απαιτήσεις σε άεργο ισχύ, χαρακτηριστικό που καθιστά αναγκαία την τοπική χρήση συστοιχίας πυκνωτών αντιστάθμισης. Επίσης, χρησιμοποιείται ένας ηλεκτρονικά ελεγχόμενος προοδευτικός εκκινητής (soft starter) προκειμένου να εξασφαλιστεί η ομαλότερη σύνδεση της μηχανής με το δίκτυο. Πλεονεκτήματα αυτής της κατηγορίας είναι η σχετικά απλή κατασκευή τους, το χαμηλό κόστος όσον αφορά την εγκατάσταση και τη συντήρησή τους και η αξιοπιστία του συστήματος. Μειονεκτήματα αποτελούν οι μεγάλες διαταραχές που προκαλούν στο δίκτυο, η μεγάλη ζήτηση άεργου ισχύος από την μηχανή, καθώς επίσης και η αδυναμία ελέγχου που αφορά είτε την ρύθμιση της άεργου ισχύος είτε τη βελτίωση της ποιότητας της παραγόμενης ενέργειας. H άεργος ισχύς σε μια επαγωγική μηχανή εξαρτάται από την τάση του δικτύου στο σημείο σύνδεσης, την ταχύτητα της μηχανής και την ενεργό ισχύ που αυτή παράγει. Η ζήτηση άεργου ισχύος στις επαγωγικές μηχανές αυξάνει όσο αυξάνει η ενεργός ισχύς της μηχανής. Οι διαταραχές που εισάγουν στο δίκτυο οι επαγωγικές μηχανές οφείλονται στις μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Οι μεταβολές αυτές δημιουργούν μεταβολές στην παραγόμενη ισχύ, οι οποίες γίνονται αντιληπτές από το δίκτυο μιας και οι ανεμογεννήτριες αυτής της κατηγορίας είναι άμεσα συνδεδεμένες σ αυτό. Ιδιαίτερο πρόβλημα δημιουργούν κυρίως σε μικρά δίκτυα στα οποία προκαλούν διακυμάνσεις στην τάση. Επίσης, οι απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου, λόγω του ότι οι μηχανές αυτές λειτουργούν με πολύ μικρή ολίσθηση 1 2%, δημιουργούν μεγάλες καταπονήσεις στο κιβώτιο ταχυτήτων και στα μηχανικά μέρη της ανεμογεννήτριας γενικότερα.

70 60 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Επιπρόσθετα, είναι δυνατόν να προκαλέσουν αστάθεια τάσης σ ένα ασθενές δίκτυο όταν ένα σφάλμα συμβεί σ αυτό. Η απότομη βύθιση της τάσης που θα δημιουργήσει το σφάλμα θα επιφέρει μια στιγμιαία ανισορροπία μεταξύ παραγόμενης και καταναλισκόμενης ισχύος. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την επιτάχυνση της γεννήτριας με συνέπεια την αύξηση της παραγωγής ενεργού ισχύος. Όμως, η περεταίρω αύξηση της ενεργού ισχύος θα δημιουργήσει μια περεταίρω αύξηση της ζήτησης άεργου ισχύος από το δίκτυο, γεγονός που θα σηματοδοτήσει μια περεταίρω βύθιση της τάσης. Επομένως, σύμφωνα με όσα αναφέραμε παραπάνω, στις ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας είναι απαραίτητη τόσο η σύνδεση σε ένα ισχυρό δίκτυο όσο και η ιδιαίτερη μέριμνα για την αντιμετώπιση των αυξημένων μηχανικών καταπονήσεων. Τέλος, στις μέρες μας, για να επιτύχουμε μια μερική ρύθμιση της ταχύτητας σ αυτή την κατηγορία ανεμογεννητριών χρησιμοποιούμε μηχανές που έχουν δύο τυλίγματα στο στάτη. Ένα τύλιγμα που έχει λιγότερα ζεύγη πόλων και λειτουργεί σε υψηλές ταχύτητες ανέμου και ένα με περισσότερα ζεύγη πόλων που λειτουργεί σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου Οι Ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών (Μεταβλητής Ταχύτητας) Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών αξιοποιούν τις σύγχρονες τεχνικές ελέγχου και την τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος, ούτως ώστε να πετύχουν ενεργό έλεγχο της περιστροφικής ταχύτητας του δρομέα τους ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, προσπαθώντας παράλληλα να μεγιστοποιήσουν την απορρόφηση ενεργού ισχύος από τον άνεμο. Πλεονεκτήματα αυτής της κατηγορίας είναι η δυνατότητα των ανεμογεννητριών να λειτουργούν στο βέλτιστο συντελεστή αεροδυναμικής ισχύος, να μεγιστοποιούν την ετήσια παραγωγή ενέργειας και να πετυχαίνουν έλεγχο της άεργου ισχύος του δικτύου. Έτσι, βελτιώνουν την ποιότητα της παρεχομένης ισχύος και μειώνουν τις αεροδυναμικές καταπονήσεις στην ανεμογεννήτρια. Μειονεκτήματα αυτής της κατηγορίας είναι το αυξημένο κόστος σε σχέση με την πρώτη κατηγορία, λόγω των ηλεκτρονικών ισχύος και του ελέγχου, αλλά και οι αυξημένες απώλειες στους μετατροπείς. Το κόστος βέβαια των ηλεκτρονικών ισχύος έχει μειωθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια και παύει να είναι πλέον απαγορευτικό.

71 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 61 Χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η χαρακτηριστική καμπύλη ηλεκτρικής ισχύος ταχύτητας του ανέμου, η οποία περιγράφει την λειτουργία της μηχανής στη τεχνολογία των μεταβλητών στροφών. Στο διάγραμμα αυτό διακρίνουμε τις εξής περιοχές: Σχήμα 2.7 : Καμπύλη Ηλεκτρικής Ισχύος Ταχύτητας Ανέμου Στο παραπάνω διάγραμμα διακρίνουμε τις εξής περιοχές: (α) τις περιοχές μη λειτουργίας, αριστερά του (περιοχή 1) και δεξιά του (περιοχή 4).Πιο συγκεκριμένα,στην πρώτη περιοχή μη λειτουργίας, η λειτουργία της ανεμογεννήτριας διακόπτεται λόγω πολύ χαμηλής ταχύτητας του ανέμου και συνεπώς πολύ χαμηλής αεροδυναμικής ισχύος, η οποία δεν επαρκεί για να υπερνικήσει της απώλειες λόγω τριβών. Το κατώτατο όριο για την έναρξη λειτουργίας της μηχανής βρίσκεται στην ταχύτητα έναρξης (περίπου 2,5-3,5 m/s).στην τέταρτη περιοχή μη λειτουργίας, η αρχή της οποίας είναι στην ταχύτητα αποσύζευξης (περίπου m/s),η ανεμογεννήτρια σταματάει να λειτουργεί μιας και η ένταση του ανέμου είναι σε τέτοια επίπεδα που είναι επικίνδυνη για την ίδια την κατασκευή της μηχανής λόγω των αεροδυναμικών

72 62 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. πιέσεων που ασκούνται και των μηχανικών καταπονήσεων που προκύπτουν από αυτές. (β) τη περιοχή μέγιστης παραγόμενης ενέργειας, που βρίσκεται ανάμεσα στις τιμές της ταχύτητας του ανέμου και.η περιοχή αυτή(περιοχή 2) παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον όσον αφορά τον τρόπο λειτουργίας της τεχνικής των μεταβλητών στροφών μιας και εδώ εφαρμόζεται ο ηλεκτρονικός έλεγχος στους μετατροπείς της εκάστοτε διάταξης. Πιο αναλυτικά, η βασική ιδέα στην περιοχή είναι η κατάλληλη ρύθμιση των στροφών της ανεμογεννήτριας, μέσω του ελέγχου των ρευμάτων του στάτη στον μετατροπέα από την πλευρά της μηχανής, ώστε να πετύχουμε την μέγιστη απορρόφηση ισχύος από τον άνεμο. Έτσι, επιτυγχάνουμε τον μέγιστο συντελεστή αεροδυναμικής απόδοσης,ο οποίος ουσιαστικά πρέπει να παραμείνει σταθερός στη βέλτιστη τιμή του όσο η ανεμογεννήτρια λειτουργεί σ αυτήν την περιοχή. (γ) και την περιοχή σταθερής ισχύος, που βρίσκεται ανάμεσα στις ταχύτητες και. Στην περιοχή αυτή(περιοχή 3), εφαρμόζουμε κάποιο είδος μηχανικού ελέγχου που στοχεύει στην απόρριψη της πλεονάζουσας ενέργειας έτσι ώστε να επιτευχθεί η διατήρηση της ισχύος εξόδου σε σταθερά επίπεδα και ίσα με τα ονομαστικά. Με τον τρόπο αυτό επιδιώκουμε να μην επιβαρύνουμε την ανεμογεννήτρια και να εξασφαλίζουμε την ασφαλή λειτουργία της ανεμογεννήτριας στο μέγιστο επιτρεπτό. Τέλος, πρέπει να αναφέρουμε ότι ο μηχανικός αυτός έλεγχος για την τεχνολογία των μεταβλητών στροφών είναι συνήθως έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίου Χρησιμοποιούμενοι τύποι γεννητριών Σήμερα, οι περισσότεροι κατασκευαστές ανεμογεννητριών χρησιμοποιούν την τεχνολογία των μεταβλητών στροφών σε συνδυασμό με έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίου. Τα είδη των τριφασικών γεννητριών που εξοπλίζουν τις εκάστοτε ανεμογεννήτριες ποικίλλουν και μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες: α. Τις ασύγχρονες (επαγωγικές) γεννήτριες και β. Τις σύγχρονες γεννήτριες

73 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες Ασύγχρονες (επαγωγικές) γεννήτριες Οι επαγωγικές γεννήτριες είναι απλές στο μηχανικό κομμάτι, εύρωστες και έχουν χαμηλό κόστος παραγωγής που οφείλεται στο μεγάλο αριθμό παραγωγή τους. Ωστόσο, το μεγάλο τους μειονέκτημα συνίσταται τόσο στην περιορισμένη δυνατότητα που παρέχουν όσον αφορά την ρύθμιση του αριθμού των στροφών τους όσο και στη κατανάλωση άεργου ισχύος σε λειτουργία είτε σε κινητήρα είτε σε γεννήτρια. Με άλλα λόγια σε αυτού του είδους τις μηχανές το ρεύμα μαγνήτισης που απαιτείται για την δημιουργία του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου λαμβάνεται από το δίκτυο μέσω των τυλιγμάτων του στάτη, γεγονός που καθιστά απαραίτητη την χρήση είτε πυκνωτών αντιστάθμισης είτε ηλεκτρονικών στοιχείων ισχύος. Τέλος, πρέπει να αναφέρουμε ότι βασικοί εκπρόσωποι της κατηγορίας των ασύγχρονων γεννητριών είναι οι: (α) Ασύγχρονες μηχανές βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) και (β) Ασύγχρονες μηχανές δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG), οι οποίες διακρίνονται σε δύο βασικούς τύπους βάση των συνδεσμολογιών τους: τις επαγωγικές γεννήτριες με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση στο δρομέα (OSIG) και τις επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας (DFIG). Επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) Η γεννήτρια αυτή χρησιμοποιήθηκε αρχικά σε μεγάλο βαθμό στην τεχνολογία των σταθερών στροφών, ωστόσο με το πέρασμα των χρόνων και την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών στοιχείων ισχύος δόθηκε η δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί σαν πλήρως μεταβλητής ταχύτητας ανεμογεννήτρια και να δώσει εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά. Πλέον στην τεχνολογία μεταβλητών στροφών, η σύνδεση του στάτη της γεννήτριας με το δίκτυο γίνεται μέσω ενός πλήρους ελεγχόμενου back-to-back μετατροπέα ισχύος με IGBT τρανζίστορ ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο, καθίσταται δυνατός ο έλεγχος της ενεργού και άεργου ισχύος καθώς και η προσαρμογή τους σύμφωνα με τις εκάστοτε συνθήκες του ανέμου και τις απαιτήσεις του δικτύου. Ταυτόχρονα, εξομαλύνεται η λειτουργία της επαγωγικής μηχανής, αποφεύγονται διάφορες τυχόν ανεπιθύμητες διαταραχές σε περιπτώσεις λειτουργίας σταθερής ταχύτητας και γίνεται δυνατή η βέλτιστη παραγωγή ισχύος σε όλο σχεδόν το εύρος ταχυτήτων του ανέμου (μέσω της προσαρμογής της περιστροφικής ταχύτητας του δρομέα της γεννήτριας). Tέλος, πρέπει να αναφέρουμε ότι το μοναδικό ίσως μειονέκτημα αυτής της διάταξης μεταβλητών στροφών είναι το αυξημένο κόστος των ηλεκτρονικών ισχύος, διότι οι μετατροπείς θα πρέπει να χειρίζονται πλέον το σύνολο της ισχύος της μηχανής και αυξάνεται συνεπώς το μέγεθος τους. Ωστόσο, το κόστος αυτό χρόνο με το χρόνο έχει πτωτικές τάσεις.

74 64 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση (OSIG) δρομέα Οι γεννήτριες με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα είναι επαγωγικές μηχανές δακτυλιοφόρου δρομέα που έχουν μια μεταβλητή εξωτερική αντίσταση για την ρύθμιση των στροφών, ενώ δεν περιλαμβάνουν καθόλου μετατροπέα με ηλεκτρονικά ισχύος. Η αντίσταση αυτή προσφέρει στη γεννήτρια τη δυνατότητα να μεταβάλλει την ολίσθηση(θετική) απλά και αξιόπιστα και να επιλέγει τη βέλτιστη τιμή για αυτήν, συμβάλλοντας έτσι στη μείωση τόσο των διαταραχών στη ροπή και στην εξαγόμενη ενέργεια όσο και των μηχανικών φορτίων. Παρόλα αυτά δεδομένου ότι πρόκειται για μια ασύγχρονη μηχανή κρίνεται απαραίτητη η χρήση ενός κυκλώματος αντιστάθμισης άεργου ισχύος. Στη συνέχεια, ένα επιπλέον πλεονέκτημα της ασύγχρονης μηχανής με ηλεκτρονικά ελεγχόμενες εξωτερικές αντιστάσεις είναι ότι με μια απλή τοπολογία του κυκλώματος του δρομέα μπορούμε να έχουμε αρκετά μεγάλο εύρος ταχύτητας(μεγαλύτερο από εκείνο της επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού).από την άλλη πλευρά, η συγκεκριμένη διάταξη γεννήτριας μειονεκτεί στο ότι παρουσιάζει αυξημένες ωμικές απώλειες λόγω της ύπαρξης μεταβλητών αντιστάσεων καθώς και πολύ μικρό προσφερόμενο εύρος μεταβολής της ταχύτητας, το οποίο κυμαίνεται στο ±10% της ονομαστικής. Για τους λόγους αυτούς η χρήση της ασύγχρονης γεννήτριας με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα χρησιμοποιείται σπάνια σήμερα. Πιο συγκεκριμένα, η τεχνολογία αυτή σήμερα δεν είναι αντικείμενο μεγάλης έρευνας αλλά αποτέλεσε μια εφεύρεση της εταιρίας Vestas που την πούλησε από τα μέσα της δεκαετίας του 90 και έπειτα με την εμπορική ονομασία Opti-Slip. Επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG) Η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας είναι η πιο διαδεδομένη επιλογή στην αγορά σήμερα, μιας και επιτρέπει την ικανοποιητική ρύθμιση των στροφών σε ένα εύρος ταχυτήτων ±30% της ονομαστικής. Η συγκεκριμένη κατηγορία γεννητριών αξιοποιεί τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν οι επαγωγικές μηχανές έχοντας τα τυλίγματα του στάτη να είναι απευθείας συνδεδεμένα με το δίκτυο μέσω ενός μετασχηματιστή ενώ χρησιμοποιείται και ένας μικρότερης ισχύος αντιστροφέας (σε σχέση με τις άλλες περιπτώσεις γεννητριών) ο οποίος δεν διαχειρίζεται όλη την ισχύ της μηχανής αλλά ένα μέρος αυτής. Το ποσοστό ρύθμισης της ταχύτητας είναι ανάλογο της ισχύος του μετατροπέα. Γι αυτό επιλέγουμε μια ισχύ μετατροπέα ίση με το 30% της ολικής, για να έχουμε και ένα αντίστοιχο περιθώριο ρύθμισης της ταχύτητας. Βασικό πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι η δυνατότητα του δρομέα να συνεισφέρει στην παροχή ενεργού ισχύος στο δίκτυο σε περιπτώσεις υπερσύγχρονης λειτουργίας, δηλαδή σε ταχύτητες μεγαλύτερες της σύγχρονης. Επίσης, η ύπαρξη του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου συμβάλλει στην

75 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 65 αντιστάθμιση της άεργου ισχύος είτε προσφέροντας την άεργο ισχύ που ζητά ο στάτης είτε απορροφώντας την επιπλέον άεργο ισχύ του δικτύου. Μ αυτόν τον τρόπο πετυχαίνουμε έλεγχο του συντελεστή ισχύος. Ταυτόχρονα, η δυνατότητα προσφοράς και απορρόφησης άεργου ισχύος έχει σαν αποτέλεσμα την βελτίωση της ευστάθειας του δικτύου μιας και η μηχανή είναι σε θέση να υποστηρίζει το δίκτυο σε περίπτωση σφάλματος. Επίσης, η παραγωγή άεργου ισχύος σε μια ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας μπορεί να ελεγχτεί από το ρεύμα του δρομέα, διότι σε αυτόν τον τύπο μηχανής η άεργος ισχύς εξαρτάται σε πολύ μικρότερο βαθμό από την παραγόμενη ενεργό ισχύ απ ότι στην επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού. Μειονέκτημα της ασύγχρονης μηχανής διπλής τροφοδοσίας αποτελεί η ύπαρξη δακτυλίων ολίσθησης οι οποίοι μπορεί να είναι απαραίτητοι για την διαχείριση της ισχύος στο δρομέα αλλά απαιτούν τακτική συντήρηση καθώς και συχνή αλλαγή ψυκτρών. Παράλληλα, οι τεχνικές ελέγχου αυτής της μηχανής είναι πολύ περίπλοκες και απαιτούνται αναλυτικά μοντέλα μεταβατικών καταστάσεων καθώς και άριστη γνώση των παραμέτρων της μηχανής για την ακριβή εκτίμηση της ταχύτητας και της ροπής. Τέλος, εξαιτίας της απευθείας σύνδεσης του στάτη με το δίκτυο χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή σε περιπτώσεις που εμφανίζονται υψηλές τιμές των ρευμάτων και των ροπών στα τυλίγματά του Σύγχρονες γεννήτριες Η σύγχρονη γεννήτρια είναι πολύ πιο ακριβή και μηχανολογικά πολύ πιο πολύπλοκη από μια επαγωγική γεννήτρια αναλόγου μεγέθους. Εμφανίζεται όμως πλεονεκτική σε σύγκριση με την επαγωγική γεννήτρια δεδομένου ότι το ρεύμα μαγνήτισης δεν δημιουργείται από το κύκλωμα του στάτη. Το μαγνητικό πεδίο στις σύγχρονες γεννήτριες μπορεί να δημιουργηθεί με τη χρήση μόνιμων μαγνητών, ή συμβατικών τυλιγμάτων στο δρομέα. Αν μάλιστα η σύγχρονη γεννήτρια έχει έναν κατάλληλο, μεγάλο αριθμό πόλων μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων. Η σύγχρονη μηχανή είναι πιθανότατα η πιο κατάλληλη για έλεγχο πλήρους ισχύος μιας και συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Ο μετατροπέας έχει δύο βασικούς στόχους. Αφενός να κάνει απόσβεση των διαταραχών ισχύος που οφείλονται στις ριπές του ανέμου και επίσης των μεταβατικών φαινομένων που έρχονται από το δίκτυο και αφετέρου να ελέγχει τη μαγνήτιση και να αποφεύγει προβλήματα παραμένοντας σύγχρονος με τη συχνότητα του δικτύου. Μια τέτοια γεννήτρια επιτρέπει τη λειτουργία με μεταβλητές στροφές στην ανεμογεννήτρια. Σήμερα, οι βασικοί τύποι σύγχρονων γεννητριών που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία των ανεμογεννητριών είναι:

76 66 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. α. οι σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) και β. οι σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη (PMSG) τις οποίες θα αναλύσουμε διεξοδικά παρακάτω. Σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) Η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα είναι ο βασικότερος τύπος γεννήτριας στη βιομηχανία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Κατασκευαστικά, ο στάτης αποτελείται από ένα τριφασικό τύλιγμα (επαγωγικό και ωμικό φορτίο) το οποίο είναι απευθείας συνδεδεμένο στο δίκτυο και δεν διαφέρει πολύ σε σχέση με το αντίστοιχο μιας επαγωγικής μηχανής. Επιπλέον, ο δρομέας μπορεί να κατασκευαστεί είτε με έκτυπους πόλους είτε με κατανεμημένους πόλους (κυλινδρικό δρομέα). Τα τυλίγματα του δρομέα διεγείρονται από συνεχές ρεύμα με τη χρήση δακτυλιδιών ολίσθησης και ψηκτρών ή μέσω ενός διεγέρτη χωρίς ψήκτρες με ένα στρεφόμενο ανορθωτή έτσι ώστε να παραχθεί το απαιτούμενο πεδίο διέγερσης το οποίο περιστρέφεται με το σύγχρονο αριθμό στροφών. Τέλος, πρέπει να αναφέρουμε ότι η σύγχρονη ταχύτητα εξαρτάται τόσο από τη συχνότητα του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου και του αριθμού των πόλων της (από τα ζεύγη πόλων). Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG) Το κύριο χαρακτηριστικό αυτής της κατηγορίας σύγχρονων γεννητριών είναι ότι το απαραίτητο μαγνητικό πεδίο για τη λειτουργία της μηχανής δημιουργείται από μόνιμο μαγνήτη που βρίσκεται στο δρομέα και αντικαθιστά το τύλιγμα διέγερσης. Με αυτόν τον τρόπο, επιτυγχάνεται μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης αφού οι ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου είναι αυτοδιεγειρόμενες, δηλαδή η διέγερση παρέχεται σε αυτές χωρίς να υπάρχει επιπλέον παροχή ενέργειας (απουσία εξωτερικού συστήματος διέγερσης). Παράλληλα, ένα άλλο πλεονέκτημα που παρέχει η χρήση μαγνητών είναι ότι επιτυγχάνεται υψηλή πυκνότητα ροής με αποτέλεσμα να προκύπτει μικρότερο βάρος και όγκος σε μια μηχανή δεδομένης ισχύς. Επιπλέον, η απουσία κιβωτίου ταχυτήτων αλλά και η απουσία συλλέκτη και ψυκτρών, λόγω της μη ύπαρξης τυλίγματος διέγερσης, αυξάνει την αξιοπιστία της μηχανής και μειώνει τις απαιτήσεις για συντήρηση. Η σύγχρονη μηχανή με μόνιμο μαγνήτη συνδέεται με το δίκτυο μέσω της χρήσης ενός back-to-back μετατροπέα ισχύος πλήρους κλίμακας, γεγονός που μπορεί να συμβάλλει στην βέλτιστη παραγωγή ενέργειας για κάθε ταχύτητα αλλά προσθέτει και αρκετό πρόσθετο κόστος. Ταυτόχρονα, στα μειονεκτήματα αυτού του τύπου γεννητριών εντάσσεται το γεγονός ότι ο μόνιμος μαγνήτης τους κατασκευάζεται από γαίες που όχι μόνο είναι δυσεύρετες αλλά και ακριβές. Τέλος, θα πρέπει να αναφέρουμε ότι τα μαγνητικά υλικά είναι ευαίσθητα στις πολύ δυσμενείς συνθήκες με υψηλές θερμοκρασίες με αποτέλεσμα να υπάρχει κίνδυνος απομαγνήτισης των μόνιμων μαγνητών και για το λόγο αυτό να απαιτείται κάποιο ικανό σύστημα ψύξης. Όσον αφορά τον έλεγχο στις σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη, η βασική ιδέα έγκειται στο να ελεγχτούν με τη βοήθεια του μετατροπέα ισχύος η ταχύτητα της μηχανής, ο συντελεστής ισχύος και η τάση στη dc λειτουργία. Πιο συγκεκριμένα,

77 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 67 μέσω του ελέγχου της ταχύτητας της μηχανής, που γίνεται με τον έλεγχο των ρευμάτων του στάτη στο μετατροπέα από την πλευρά της μηχανής, επιτυγχάνεται η μέγιστη απομάστευση ισχύος για κάθε ταχύτητα. Από την άλλη μεριά, στον μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου, γίνεται ο έλεγχος στην τάση της dc διασύνδεσης με συνηθέστερο σκοπό την επίτευξη μοναδιαίου συντελεστή ισχύος για όλο το σύστημα. Γενικότερα, οι γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη παρέχουν ευελιξία όσον αφορά την διαδικασία ελέγχου τους ενώ ταυτόχρονα δίνουν την δυνατότητα της ρύθμισης της ενεργού και άεργου ισχύος σε όλο το δυνατό τους φάσμα Χρησιμοποιούμενες Τοπολογίες στις ανεμογεννήτριες Οι πιο συχνά εφαρμοζόμενες τοπολογίες στις ανεμογεννήτριες ταξινομούνται με βάση τον έλεγχο ταχύτητας που εφαρμόζεται(σταθερής ή μεταβλητής ταχύτητας ανεμογεννήτριες) αλλά και με βάση το μηχανικό έλεγχο ισχύος. Εφαρμόζοντας λοιπόν ταξινόμηση με βάση τον έλεγχο ταχύτητας έχουμε τους εξής βασικούς τύπους-τυπολογίες: Τύπος Α: Σταθερής ταχύτητας Τύπος Β: Περιορισμένης μεταβλητής ταχύτητας Τύπος Γ: Μεταβλητής ταχύτητας με μερικής κλίμακας ηλεκτρονικό μετατροπέα συχνότητας Τύπος Δ: Μεταβλητής ταχύτητας με πλήρους κλίμακας ηλεκτρονικό μετατροπέα συχνότητας Τοπολογία Α Η τοπολογία αυτή χρησιμοποιείται για ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας με ασύγχρονη επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού (WRIG). Πιο αναλυτικά, η γεννήτρια της τοπολογίας αυτής είναι απευθείας συνδεδεμένη με το δίκτυο μέσω ηλεκτρικού μετασχηματιστή ισχύος. Έπειτα, χρησιμοποιούνται τόσο συστοιχίες πυκνωτών που συμβάλλουν στην αντιστάθμιση της άεργου ισχύος μιας και η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού καταναλώνει άεργο ισχύ κατά τη λειτουργία της όσο και ένας ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής (soft starter) που εξασφαλίζει την ομαλή εκκίνηση και σύνδεση με το δίκτυο.

78 68 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Το βασικότερο μειονέκτημα της διάταξης αυτής είναι ότι πιθανές διαταραχές του ανέμου μετατρέπονται σε μηχανικές διαταραχές, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει διαταραχές τόσο στην παραγόμενη ισχύ όσο και στην τάση του δικτύου. Έτσι, εξαιτίας των διαταραχών της τάσης, η γεννήτρια καταναλώνει περισσότερη ποσότητα άεργου ισχύος από το δίκτυο γεγονός που οδηγεί σε περαιτέρω κατάρρευση της τάσης του δικτύου με αποτέλεσμα να οδηγούμαστε σε συνθήκες αστάθειας, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για ασθενή δίκτυα. Σχήμα 2.8 : Διάταξη Τοπολογίας Α Τοπολογία Β Η τοπολογία αυτή χρησιμοποιείται για ανεμογεννήτριες μειωμένης μεταβλητής ταχύτητας με ασύγχρονη επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα(wrig) και χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από την Δανέζικη εταιρεία Vestas στα μέσα της δεκαετίας του 90.Η γεννήτρια αυτή είναι απευθείας συνδεδεμένη με το δίκτυο μέσω ηλεκτρικού μετασχηματιστή ισχύος. Επίσης, χρησιμοποιούνται συστοιχίες πυκνωτών για την αντιστάθμιση της άεργου ισχύος της καθώς και ένας ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής (soft starter) που εξασφαλίζει την ομαλή εκκίνηση και σύνδεση με το δίκτυο. Η τοπολογία αυτή χρησιμοποιεί μια εξωτερικά οπτικά ελεγχόμενη αντίσταση η οποία προστίθεται στην ήδη υπάρχουσα αντίσταση του δρομέα και της δίνει την ικανότητα να μεταβάλλει την ολίσθησή της. Έτσι, αναλόγως με την μεταβολής της συνολικής αντίστασης του δρομέα, έχουμε και αντίστοιχο εύρος τιμών στην ρυθμιζόμενη ταχύτητα. Αυτό οδηγεί στον έλεγχο της παραγόμενης ισχύος. Τέλος, αξίζει να αναφερθεί ότι το εύρος της ταχύτητας ποικίλει σε τιμές μόνο από 0%-

79 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 69 10% παραπάνω από την σύγχρονη ταχύτητα και ότι η επιπλέον παραγόμενη ενέργεια καταναλώνεται ως θερμότητα στην αντίσταση. Σχήμα 2.9 : Διάταξη Τοπολογίας Β Τοπολογία Γ Η τοπολογία αυτή γνωστή και ως γενικό μοντέλο της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας (DFIG), χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτριες μειωμένης μεταβλητής ταχύτητας με την χρήση επαγωγικής γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) μέσω σύνδεσης του δρομέα της σε ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος μερικής κλίμακας. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος μερικής κλίμακας με τη σειρά του εξασφαλίζει την αντιστάθμιση άεργου ισχύος και την ομαλή σύνδεση της γεννήτριας με το δίκτυο. Προσφέρει επιπλέον ένα μεγαλύτερο εύρος τιμών για την ταχύτητα του δρομέα σε σχέση με την τοπολογία Β (μέσω χρήσης εξωτερικής μεταβλητής αντίστασης στο δρομέα), το οποίο βέβαια εξαρτάται από το μέγεθος του ηλεκτρονικού μετατροπέα που χρησιμοποιείται. Το τυπικό εύρος ταχύτητας που επιτυγχάνεται είναι από -40% έως +30% γύρω από την σύγχρονη ταχύτητα. Τέλος, αξίζει να αναφερθεί ότι το κόστος του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος επιβαρύνει το συνολικό κόστος αλλά με την χρήση μικρότερης κλίμακας μετατροπέων και με την συνεχόμενη μείωση των τιμών των διατάξεων αυτών, η τοπολογία αυτή έχει γίνει οικονομικά συμφέρουσα.

80 70 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Σχήμα 2.10 : Διάταξη Τοπολογίας Γ Τοπολογία Δ Η τοπολογία αυτή χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτριες πλήρως μεταβλητής ταχύτητας (εξασφαλίζει έλεγχο ταχύτητας σε όλο το εύρος της, δηλαδή από 0-100% της σύγχρονης ταχύτητας) με την γεννήτρια να είναι απευθείας συνδεδεμένη με το δίκτυο μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος πλήρους κλίμακας. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος παρέχει την απαιτούμενη άεργο ισχύ, εξασφαλίζει την πιο ομαλή σύνδεση της γεννήτριας με το δίκτυο και επιτυγχάνει ανεξάρτητο έλεγχο του συντελεστή ισχύος από την πλευρά της μηχανής και από την πλευρά του δικτύου. Σε αυτή την τοπολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί η επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG), η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) καθώς και η σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (ΡΜSG). Σημαντικό πλεονέκτημα της χρήσης σύγχρονης πολυπολικής γεννήτριας είναι η απουσία κιβωτίου ταχυτήτων και δακτυλιοφόρου δρομέα. Σχήμα 2.11 : Διάταξη Τοπολογίας Δ.

81 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες Αιολικά πάρκα Είναι γεγονός ότι οι ανεμογεννήτριες μπορούν να λειτουργούν αυτόνομα, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε περιοχές που δεν ηλεκτροδοτούνται ή για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας για χρήση σε αντλιοστάσια. Ωστόσο, όταν αναφερόμαστε σε αιολικά πάρκα μιλάμε για συστοιχίες πολλών ανεμογεννητριών, οι οποίες εγκαθίστανται και λειτουργούν σε μία περιοχή με υψηλό αιολικό δυναμικό και διοχετεύουν το σύνολο της παραγωγής του στο ηλεκτρικό σύστημα. Τα αιολικά πάρκα διακρίνονται σε χερσαία και υπεράκτια (offshore) ανάλογα με τον τόπο στον οποίο εγκαθίστανται Χερσαία αιολικά πάρκα Σχήμα 2.12 : Αιολικό πάρκο Παναχαϊκού με 41 ανεμογεννήτριες εγκατεστημένες στην κορυφογραμμή του Παναχαϊκού Αχαΐας και παρέχει ετησίως μεγαβάτ. [25] Τα χερσαία αιολικά πάρκα (onshore wind farms ) είναι εγκατεστημένα σε χερσαίες περιοχές και απόσταση τριών τουλάχιστον χιλιομέτρων προς το εσωτερικό από

82 72 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. την εγγύτερη ακτογραμμή. Κατασκευάζονται, κατά κανόνα, σε κορυφογραμμές μεγάλου υψομέτρου, ωστόσο εντοπίζονται και σε πεδινές περιοχές, όπου έμφαση δίνεται στην αξιοποίηση του μεγαλύτερου δυνατού ποσοστού αιολικού δυναμικού. Όντας η ευρύτερα διαδεδομένη μορφή αιολικών πάρκων, λόγω της προγενέστερης ανάπτυξής τους, η τεχνολογία τους χαρακτηρίζεται αρκετά ώριμη και οικονομικά συμφέρουσα, χωρίς ωστόσο, να εκλείπουν οι προβληματισμοί γύρω από την εγκατάστασή τους. Η κατασκευή πάρκων σε κορυφογραμμές οροσειρών αντιμετωπίζει το ζήτημα της μεταφοράς του εξοπλισμού στο σημείο τοποθέτησης, καθώς, πρόκειται για μηχανήματα μεγάλου όγκου που καλούνται να μεταφερθούν σε δύσβατες περιοχές, με ελλιπές οδικό δίκτυο. Το γεγονός αυτό προσαυξάνει το κόστος κατασκευής του πάρκου, ιδιαίτερα όταν απαιτείται διάνοιξη δρόμων. Επιπλέον, με αφορμή την περιβαλλοντική υποβάθμιση και την παρέμβαση στο φυσικό τοπίο, συχνά, προκαλούνται αντιδράσεις, παρότι, συνήθως, πρόκειται για θαμνώδεις περιοχές, περιορισμένου κάλους. Θετικό, πάντως, κρίνεται το γεγονός ότι οι περιοχές αυτές, σπάνια, προσφέρονται για άλλες χρήσεις, περιορίζοντας τις ενδεχόμενες συγκρούσεις. Αναφορικά με την εκμετάλλευση πεδινών περιοχών, το κόστος μεταφοράς και εγκατάστασης είναι περιορισμένο, ενώ το σύνηθες πρόβλημα σχετίζεται με τη σύγκρουση χρήσεων γης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, πρόκειται για πυκνοκατοικημένες περιοχές, που προσφέρονται για την πραγματοποίηση ποικίλων δραστηριοτήτων (διαμονή, αγροτική εκμετάλλευση). Βέβαια, έχει αποδειχθεί ότι τα αιολικά πάρκα είναι δυνατόν να συνυπάρξουν με τέτοιες χρήσεις, χωρίς, ωστόσο, να εκλείπουν οι αντιδράσεις Υπεράκτια αιολικά πάρκα Σχήμα 2.13 : Υπεράκτιο αιολικό πάρκο στην Ολλανδία. [26]

83 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 73 Αξίζει να αναφερθεί ότι η κατασκευή υπεράκτιων ανεμογεννητριών απαιτεί σημαντική εφαρμοσμένη μηχανική όσον αφορά την υποδομή, τοποθέτηση, ηλεκτρική σύνδεση και την χρήση υλικών, τα οποία αντέχουν στο διαβρωτικό θαλάσσιο περιβάλλον. Οι παράγοντες αυτοί δεν επέτρεψαν κατά το παρελθόν την υπεράκτια χρήση των ανεμογεννητριών, παρόλο που η ταχύτητα των υπεράκτιων ανέμων είναι γενικά μεγαλύτερη αυτής των ανέμων της στεριάς. Ωστόσο, με το πέρασμα των χρόνων καθίσταται όλο και πιο εφικτή η χρήση ενός συνόλου ανεμογεννητριών μεγάλης κλίμακας σε υπεράκτια εδάφη. Με άλλα λόγια, τόσο η αύξηση του μεγέθους και της αποδοτικότητας των ανεμογεννητριών όσο και η εμπειρία και η τεχνογνωσία που αποκτάται χρόνο με το χρόνο στον τομέα των αιολικών συστημάτων έχει συμβάλει καθοριστικά στην υπεράκτια αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας και στην απόκτηση μεγάλης δυναμικής των υπεράκτιων αιολικών πάρκων στην αγορά. Για το λόγο αυτό, σήμερα, όλο και περισσότεροι κατασκευαστές ανεμογεννητριών αρχίζουν να παράγουν ανεμογεννήτριες για υπεράκτια χρήση. Βασική αιτία ανάπτυξης των υπεράκτιων αιολικών πάρκων ήταν η σχεδόν πλήρης κάλυψη των περιοχών στη στεριά που ικανοποιούσαν τις προϋποθέσεις για χερσαία εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας, με τις εναπομείναντες να κρίνονται στην πλειοψηφία τους ακατάλληλες (για διάφορους λόγους) για τέτοιου είδους εγχειρήματα. Έπειτα, στις θαλάσσιες περιοχές, εξαιτίας της μικρής διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ θαλάσσιας επιφάνειας και ατμόσφαιρας, ο άνεμος είναι απαλλαγμένος από φαινόμενα τύρβης, ενώ η ταχύτητά του είναι μεγαλύτερη, όπως αναφέραμε και προηγουμένως, συμβάλλοντας έτσι στην επίτευξη έως και 30% μεγαλύτερων αποδόσεων και περιορίζοντας παράλληλα την καταπόνησή των ανεμογεννητριών. Επίσης, η ομοιόμορφη, καθ ύψος, κατανομή των ταχυτήτων του ανέμου στην επιφάνεια της θάλασσας, περιορίζει την τραχύτητα της επιφάνειας, επιτρέποντας τη χρήση χαμηλότερων και πιο οικονομικών ανεμογεννητριών. Βέβαια το όφελος αυτό αντισταθμίζεται από το αυξημένο κόστος που προκύπτει από τις πολύπλοκες διαδικασίες μεταφοράς, εγκατάστασης, ασφαλής στήριξης και συντήρησης των υπεράκτιων ανεμογεννητριών. Υπάρχουν, βέβαια, πολλοί παράγοντες που πρέπει να εξετάζονται πριν την εγκατάσταση ενός υπεράκτιου αιολικού πάρκου. Πρώτα απ όλα, το βάθος και η φύση του βυθού της θάλασσας στις προτεινόμενες τοποθεσίες καθώς επίσης και οι μετεωρολογικές συνθήκες και οι προβλέψεις είναι παράγοντες που πρέπει να εξετάζονται και να αξιολογούνται ανάλογα. Επιπρόσθετα, η απόσταση από την ακτή και τους σταθμούς εξυπηρέτησης μπορεί να επηρεάσει τόσο το χρόνο όσο και το κόστος ανέγερσης του αιολικού πάρκου, καθώς και τις εργασίες συντήρησης. Επιπλέον, είναι επιτακτική ανάγκη να λαμβάνονται υπόψη η ναυσιπλοΐα, η αλιεία και οι διάδρομοι του θαλάσσιου εμπορίου. Τέλος, το υπεράκτιο αιολικό πάρκο ενδέχεται να έχει επιπτώσεις στο οικοσύστημα. Θα πρέπει, λοιπόν, να εξετάζεται η κατάσταση όσον αφορά τα ψάρια, τα θαλάσσια θηλαστικά και πτηνά στην περιοχή. Έτσι, με προσεκτικό προγραμματισμό και μελέτη, μπορούν να αποφευχθούν τόσο η διατάραξη του περιβάλλοντος όσο και

84 74 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. οι αισθητικές επιπτώσεις, αλλά και οι όποιες αντιπαραθέσεις με άλλους τομείς δραστηριότητας Λειτουργία και Συντήρηση του αιολικού πάρκου Η λειτουργία ενός αιολικού πάρκου παρακολουθείται και ελέγχεται μέσω ενός συστήματος εποπτικού ελέγχου και συλλογής δεδομένων (SCADA). Με τον τρόπο αυτό διασυνδέονται όλα τα συστατικά μέρη (δηλ. ανεμογεννήτριες, μετεωρολογικοί σταθμοί και υποσταθμοί) του αιολικού πάρκου σε έναν κεντρικό Η/Υ. Το σύστημα παρέχει και αποθηκεύει τις πληροφορίες και έτσι ο χειριστής έχει τη δυνατότητα να παρακολουθεί και να ελέγχει τη λειτουργία του αιολικού πάρκου καθώς επίσης και να εντοπίζει αστοχίες ή προβλήματα λειτουργίας συγκεκριμένων ανεμογεννητριών. Η συντήρηση τόσο των υπεράκτιων όσο και των χερσαίων ανεμογεννητριών απαιτεί παρόμοια τεχνογνωσία λόγω του ότι χρησιμοποιούν παρόμοιες συνιστώσες. Οι ανεμογεννήτριες σχεδιάζονται έτσι ώστε να απαιτούνται περιοδικοί έλεγχοι μία έως τρεις φορές κατ έτος. Βέβαια, οι οδηγίες του κατασκευαστή και η τεχνολογία που χρησιμοποιεί η ανεμογεννήτρια διαφοροποιεί κάθε φορά τους περιοδικούς ελέγχους συντήρησης. Ωστόσο, η μη προγραμματισμένη συντήρηση μπορεί να αυξήσει σημαντικά το κόστος συντήρησης, δηλαδή τις δαπάνες λειτουργίας και διαχείρισης και συνεπώς το κόστος ανά κιλοβατώρα Η Διασύνδεση των Αιολικών Πάρκων Μια γενική διάταξη των ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο περιλαμβάνει την ακτινική σύνδεσή τους σε κάποιο κοινό σημείο, όπου γίνεται η ανύψωση του επιπέδου της τάσης, και στη συνέχεια η διασύνδεσή τους με το δίκτυο. Στο σημείο διασύνδεσης γίνεται η απαραίτητη ρύθμιση της συχνότητας, της άεργου ισχύος καθώς και του επιπέδου της τάσης σύμφωνα με τις απαιτήσεις του δικτύου. Έτσι, τα πάρκα μπορούν να χωριστούν σε τρεις μεγάλες κατηγορίες με βάση το είδος της σύνδεσής τους με το δίκτυο, οι οποίες είναι οι εξής: α) Μέσω ac διασύνδεσης, β) Μέσω ac/dc διασύνδεσης και γ) Μέσω dc διασύνδεσης.

85 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 75 α ) Αιολικά πάρκα με ac σύνδεση Σχήμα 2.14 : Διάγραμμα αιολικού πάρκου με ac σύνδεση Η ac διασύνδεση χρησιμοποιείται για αιολικά πάρκα στα οποία το σημείο σύνδεσης με το δίκτυο δεν είναι πολύ απομακρυσμένο από το πάρκο. Η τοπολογία που συνήθως εφαρμόζεται σ αυτές τις περιπτώσεις είναι ένα τοπικό ακτινικό δίκτυο των 35kV που συνδέει τις ανεμογεννήτριες σε ένα κοινό μετασχηματιστή ο οποίος ανυψώνει την τάση σε 150kV και συνδέει το πάρκο με το δίκτυο. Η τοπολογία αυτής της διασύνδεσης φαίνεται στο παραπάνω σχήμα β) Αιολικά πάρκα με ac/dc σύνδεση Σχήμα 2.15 : Διάγραμμα αιολικού πάρκου με ac/dc σύνδεση

86 76 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Η διασύνδεση ac/dc χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου είτε το σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο είναι πολύ απομακρυσμένο είτε το δίκτυο στο οποίο θα συνδεθεί το αιολικό πάρκο είναι πολύ ασθενές. Το πλεονέκτημα που προσφέρει μια τέτοια διασύνδεση είναι ότι το αιολικό πάρκο είναι πλήρως αποσυζευγμένο από το ηλεκτρικό δίκτυο και συνεπώς μπορεί να επιτευχθεί ανεξάρτητη ρύθμιση της συχνότητας και της τάσης του πάρκου και του δικτύου. Σε αυτή την περίπτωση οι ανεμογεννήτριες συνδέονται ακτινικά και στη συνέχεια υπάρχει ένας ac/dc μετατροπέας στη πλευρά του πάρκου ο οποίος μετατρέπει την χαμηλή ή μέση ac τάση σε υψηλή dc και στη συνέχεια ένας dc/ac μετατροπέας στη πλευρά του δικτύου που μετατρέπει την dc τάση ξανά σε ac. Ένα τέτοιο σύστημα μεταφοράς ονομάζεται HVDC (High Voltage Direct Current).Για συγκεκριμένα επίπεδα ισχύος ένα σύστημα μεταφοράς HVDC βασισμένο σε μετατροπείς πηγής τάσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί αντί για την συνηθισμένη τεχνολογία με θυρίστορ. Αυτή η λύση είναι ικανή να μεταβάλλει την ταχύτητα του πάρκου ως συνόλου. Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται η τοπολογία αυτής της κατηγορίας. γ) Αιολικά πάρκα με dc σύνδεση Σχήμα 2.16 : Διάγραμμα (μικρού) αιολικού πάρκου με dc σύνδεση Τα αιολικά πάρκα με dc διασύνδεση μοιάζουνε με τα αντίστοιχα που έχουνε ac διασύνδεση με τη διαφορά ότι στη θέση του μετασχηματιστή υπάρχει ένας dc μετατροπέας σε συνδυασμό με ένα αντιστροφέα. Προφανώς, στη διάταξη αυτή κρίνεται απαραίτητη η χρήση ανορθωτικών διατάξεων για κάθε ανεμογεννήτρια ξεχωριστά. Σε περιπτώσεις μεγάλων αιολικών πάρκων με dc διασύνδεση είναι πολύ πιθανόν να χρειαστούν περισσότεροι του ενός μετατροπέα προκειμένου η τάση των ανεμογεννητριών να φτάσει στο κατάλληλο επίπεδο μεταφοράς. Με άλλα λόγια, στα μεγάλα αιολικά πάρκα dc σύνδεσης μπορεί να υπάρξουν παραπάνω από ένα στάδια ενδιάμεσης ανύψωσης της dc τάσης προτού

87 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 77 εμφανιστεί ο dc/ac μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου φαινόμενο αυτό παρατηρείται κυρίως για πολύ μικρές τιμές της dc τάσης των ανεμογεννητριών της τάξης των 5kV. 2.4 Ο Έλεγχος στις Ανεμογεννήτριες Έλεγχος ισχύος σε ανεμογεννήτριες Είναι γεγονός ότι οι ανεμογεννήτριες, εφόσον συνδέονται στο δίκτυο, αλληλεπιδρούν με αυτό και το επηρεάζουν καθώς οι αλλαγές στην ταχύτητα του ανέμου προκαλούν αλλαγές στην παραγόμενη ενέργεια της ανεμογεννήτριας. Ο έλεγχος των μηχανικών και των ηλεκτρικών μερών της ανεμογεννήτριας είναι, λοιπόν, εκείνος που μας επιτρέπει να βελτιώσουμε τόσο την παραγομένη ισχύ όσο και την απόδοση και την ευστάθεια του συστήματος πού μελετάμε κάθε φορά. Πιο συγκεκριμένα, ο μηχανικός έλεγχος συνίσταται στην χρήση δύο βασικών μεθόδων: α) του ελέγχου γωνίας βήματος και β) του ελέγχου απώλειας στήριξης(ενεργός και παθητικός). Παράλληλα, πρέπει να αναφερθεί ότι ο συγκεκριμένος έλεγχος εφαρμόζεται στα ακροπτερύγια της ανεμογεννήτριας προκειμένου να περιοριστεί η απορροφούμενη από τον άνεμο ισχύ. Από την άλλη πλευρά, ο ηλεκτρονικός έλεγχος συνίσταται σε χρήση τεχνικών ρύθμισης ηλεκτρικών ποσοτήτων, μέσω των οποίων πετυχαίνουμε τελικά να ρυθμίσουμε την παρεχόμενη στο δίκτυο ενεργό και άεργο ισχύ. Επίσης, ρυθμίζουμε την ηλεκτρική συχνότητα, την προσφερόμενη άεργο ισχύ στην μηχανή καθώς και την ταχύτητα της όταν βρισκόμαστε στην περιοχή λειτουργίας της μέγιστης παραγόμενης ισχύος. Τέλος, βασικό χαρακτηριστικό του ηλεκτρονικού ελέγχου είναι πως σε αντίθεση με τον μηχανικό δεν εφαρμόζεται σε κάθε τύπο ανεμογεννήτριας παρά μόνο σε συστήματα μεταβλητών στροφών Μηχανικός έλεγχος ισχύος Ο μηχανικός έλεγχος ισχύος συμβάλλει στην αποφυγή ζημιών στις ανεμογεννήτριες μιας και όπως αναφέραμε και προηγουμένως περιορίζει τόσο την απορροφούμενη από τον άνεμο ισχύ όσο και τις εφαρμοζόμενες αεροδυναμικές δυνάμεις στο δρομέα σε υψηλές τιμές ταχύτητας. Υπάρχουν τρεις τρόποι μηχανικού ελέγχου οι οποίοι μπορούν να εφαρμοστούν σε ανεμογεννήτριες σταθερής αλλά και μεταβλητής ταχύτητας, αντίστοιχα:

88 78 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Παθητικός έλεγχος απώλειας στήριξης (passive stall control): Ο τύπος αυτός του ελέγχου οφείλει το όνομα του(παθητικός) στο ότι δεν χρησιμοποιείται κανένας μηχανισμός ενεργοποίησης κατά την εφαρμογή του. Βρίσκει εφαρμογή πιο συχνά στις ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας και απαιτεί πολύ καλή αεροδυναμική σχεδίαση του πτερυγίου. Σύμφωνα με αυτόν, οι ανεμογεννήτριες διαθέτουν πτερύγια με σταθερή γωνία τα οποία παρουσιάζουν απώλεια αεροδυναμικής στήριξης σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου. Με άλλα λόγια, μέσω του συγκεκριμένου είδους ελέγχου μας δίνεται η δυνατότητα να περιορίζουμε την απορροφούμενη από τον άνεμο ισχύ ενδογενώς μέσω στροβιλισμών που δημιουργούνται στο πίσω πάνω μέρος του πτερυγίου μόλις η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί την ονομαστική. Αυξάνοντας έτσι τις δυνάμεις αντίστασης αναγκάζουμε το πτερύγιο να επιβραδυνθεί, δημιουργώντας απώλεια στήριξης. Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα: Πρόκειται για έναν απλό, εύρωστο και φθηνό τρόπο μηχανικού ελέγχου που προκαλεί μικρότερες διαταραχές στην ισχύ από ότι μια γρήγορη μεταβολή στη γωνία των πτερυγίων. Ωστόσο, βασικά μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου ελέγχου είναι η μικρή απόδοσή που παρουσιάζει σε χαμηλές ταχύτητες καθώς και το γεγονός ότι δε βοηθάει στην εκκίνηση αλλά και δεν επιτρέπει ακριβή έλεγχο της ισχύος. Έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίων (pitch control): Χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά στις ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών καθώς με το συγκεκριμένο τρόπο ελέγχου ασκούνται μικρότερες δυνάμεις και πιέσεις στην ανεμογεννήτρια. Σύμφωνα με αυτόν τον μηχανικό τρόπο ελέγχου, οι ανεμογεννήτριες διαθέτουν πτερύγια που έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται κατά το διαμήκη άξονά τους. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατός ο έλεγχος της γωνίας πρόσπτωσης του ανέμου και κατά προέκταση της απορριφθείσας αεροδυναμικής ισχύος από το δρομέα. Πιο συγκεκριμένα, όταν ο άνεμος προκαλεί πολύ μεγάλη παραγωγή ενέργειας, ο μηχανισμός ελέγχου της γωνίας βήματος αρχίζει να στρίβει τα ακροπτερύγια προκειμένου να επιτευχθεί η μείωση του ανέμου που προσπίπτει πάνω τους. Έτσι, στις υψηλές ταχύτητες, η πραγματική παραγόμενη ισχύς είναι βέλτιστη και πλησιάζει την ονομαστική τιμή της γεννήτριας. Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα: Πρόκειται για έναν τρόπο μηχανικού ελέγχου που προσφέρει καλό έλεγχο ισχύος στις ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας, βοηθάει κατά την εκκίνησή τους και εφαρμόζει σχεδόν άμεση διακοπή σε περίπτωση ανάγκης. Από την άλλη πλευρά όμως, εισάγει πολυπλοκότητα λόγω του μηχανισμού στρεφόμενων πτερυγίων και αναταράξεις(στιγμιαίες διαταραχές ισχύος) που υπάρχουν σε μεγάλες τιμές ταχύτητας ανέμου.

89 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 79 Σχήμα 2.17 : Γωνία βήματος πτερυγίου Εφαρμογή ελέγχου γωνίας βήματος σε ανεμογεννήτρια σταθερών στροφών Πράγματι, εάν εφαρμόσουμε έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίου σε μια ανεμογεννήτρια σταθερών στροφών, τότε μια μικρή μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου πέρα της ονομαστικής θα δημιουργήσει μια μεταβολή στην εξαγόμενη ισχύ αρκετά μεγαλύτερη. Επιπρόσθετα, λόγω της αδράνειας τους συστήματος περιστροφής των πτερυγίων, ο χρόνος που απαιτείται μέχρι την στροφή των πτερυγίων στην επιθυμητή γωνία και τελικά τη μείωση της μηχανικής ισχύος, είναι αρκετά μεγάλος. Όλες αυτές οι μεταβολές που περιγράψαμε στην παραγόμενη ισχύ θα γίνουν αντιληπτές από το δίκτυο και ίσως προκαλέσουν διαταραχές στην ευστάθεια του συστήματος, ιδιαίτερα αν το δίκτυο που μελετάμε έχει ασθενή χαρακτηριστικά.

90 80 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Εφαρμογή ελέγχου γωνίας βήματος σε ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών Αντίθετα, σ ένα σύστημα μεταβλητών στροφών οι μεταβολές αυτές θα υπάρχουν, αλλά θα εμφανιστούν υπό τη μορφή αλλαγής της αποθηκευμένης ενέργειας στο ρότορα, δηλαδή μέσω προσαρμογής της περιστροφικής ταχύτητας του ρότορα. Έτσι, η παρεχόμενη ηλεκτρική ισχύ στο δίκτυο θα μείνει ανεπηρέαστη. Ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης (active stall control): Σχήμα 2.18 : Απώλεια στήριξης Αυτός ο τύπος ελέγχου συνδυάζει τα θετικά στοιχεία των δύο παραπάνω μεθόδων ελέγχου και οφείλει το όνομα του στη χρήση ενεργοποιητών οι οποίοι περιστρέφουν τα πτερύγια γύρω από τον άξονα τους. Η περιστροφή γίνεται σε αντίθετη όμως διεύθυνση από ότι στον έλεγχο γωνίας βήματος, ενώ παράλληλα διατηρείται η ικανότητα της αεροδυναμικής απώλειας στήριξης των πτερυγίων. Με αυτόν τον τρόπο, πετυχαίνουμε να αυξάνουμε και πάλι τις δυνάμεις αντίστασης και να επιβραδύνουμε το ρότορα αυτή τη φορά όμως τεχνητά.

91 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 81 Πλεονεκτήματα του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης σε σχέση με τον παθητικό είναι: Η πιο ομαλή απώλεια στήριξης και η δυνατότητα καλύτερου ελέγχου της ισχύος(με μεγαλύτερη ακρίβεια). Επιπλέον, στον ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης η ισχύς μπορεί να βρίσκεται κοντά στην ονομαστική της τιμή για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες της ονομαστικής. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την λειτουργία του παθητικού ελέγχου απώλειας στήριξης στον οποίο όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπερνά την ονομαστική της τιμή η ισχύς πέφτει σε χαμηλότερες τιμές από την ονομαστική. Επίσης, ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης βοηθά κατά την εκκίνηση, μπορεί να ελέγξει μεταβολές στην πυκνότητα του αέρα και έχει πολύ μεγαλύτερη απόδοση στις χαμηλές ταχύτητες του ανέμου σε σχέση με τον παθητικό. Σύγκριση Ενεργού έλεγχου απώλειας στήριξης και ελέγχου γωνίας βήματος πτερυγίων Πλεονέκτημα του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης σε σχέση με τον έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίου είναι η αποφυγή των απότομων μεταβολών στην παραγόμενη ισχύ και των καταπονήσεων του κιβωτίου ταχυτήτων. Οι τελευταίες οφείλονται κυρίως στις απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Μειονέκτημα του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης σε σχέση με τον έλεγχο γωνίας βήματος είναι οι αυξημένες δυνάμεις και η πίεση που ασκούνται πάνω στα πτερύγια της ανεμογεννήτριας όταν αυτή οδηγείται σε περεταίρω απώλεια στήριξης. Ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης μπορεί να συνεργάζεται με τον έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίου, ώστε να πετυχαίνει άμεση διακοπή της παραγόμενης ισχύος όταν χρειαστεί. Σήμερα, στην τεχνολογία των μεταβλητών στροφών ο έλεγχος απώλειας στήριξης εμφανίζεται σπάνια σε αντίθεση με τον έλεγχο γωνίας βήματος που χρησιμοποιείται κατά κόρον στην αγορά για περιπτώσεις μηχανικού ελέγχου ανεμογεννητριών. Τόσο ο περίπλοκος σχεδιασμός των πτερυγίων όσο και η υψηλή καταπόνηση της συσκευής είναι οι δύο βασικοί παράγοντεςχαρακτηριστικά που λειτουργούν αποτρεπτικά στη χρήση ελέγχου απώλειας στήριξης Ηλεκτρονικός έλεγχος ισχύος Ο ηλεκτρονικά εφαρμοζόμενος έλεγχος χρησιμοποιείται στα συστήματα μεταβλητών στροφών και χρησιμοποιεί την τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος. Τα ηλεκτρονικά ισχύος είναι ηλεκτρονικές συσκευές που μπορούν να

92 82 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. διαχειρίζονται μεγάλα ποσά ισχύος της τάξης των MVA. Η τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος είναι διαρκώς αναπτυσσόμενη και εξελισσόμενη τα τελευταία 30 χρόνια με αποτέλεσμα να αυξάνεται συνεχώς και αριθμός των εφαρμογών που χρησιμοποιούνται. Ταυτόχρονα, η ευρεία εφαρμογή των ηλεκτρονικών ισχύος στα διάφορα συστήματα ελέγχου δικαιολογείται και από το γεγονός ότι ενώ αρχικά εμφανίστηκαν στην αγορά ως πολύ ακριβές συσκευές, τα τελευταία χρόνια το κόστος τους έχει υποστεί σημαντική μείωση. Με άλλα λόγια, και η απόδοση αυξάνει με σταθερούς ρυθμούς αλλά και το κόστος μειώνεται συνεχώς. Η τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος εξακολουθεί να διέρχεται μεγάλες αλλαγές και βασικά στοιχεία όπως η τάση κατάρρευσης και η δυνατότητα μεταφοράς ρεύματος των διατάξεων συνεχώς αυξάνει. Σημαντική έρευνα γίνεται επίσης για την αλλαγή των χρησιμοποιούμενων υλικών από πυρίτιο σε καρβίδιο του πυριτίου. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την δραματική αύξηση της πυκνότητας ισχύος των μετατροπέων. Σχήμα 2.19 : Η εξέλιξη των ηλεκτρονικών ισχύος με το πέρασμα του χρόνου. Συνοπτικά, τα βασικά στοιχεία των ηλεκτρονικών ισχύος είναι: δίοδοι και ηλεκτρονικοί διακόπτες [ θυρίστορ, GTO θυρίστορ, MOS gate θυρίστορ, τρανζίστορ, MOSFET, FET καρβιδίου του πυριτίου, IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)]. Στη σύγχρονη

93 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 83 εποχή, ο πιο διαδεδομένος τύπος τρανζίστορ ισχύος στα αιολικά συστήματα μεταβλητής ταχύτητας είναι τα IGBT μιας και έχουν υψηλές διακοπτικές συχνότητες λειτουργίας (2 20 khz) και καλές χαρακτηριστικές, ελέγχοντας την ενεργό και την άεργο ισχύ. Η βιομηχανία των ηλεκτρονικών ισχύος έχει κατασκευάσει IGBT στοιχεία τα οποία μπορούν και χειρίζονται 6 kv και 1.2 ka. Αντίθετα, τα GTO θυρίστορ έχουν μικρή διακοπτική συχνότητα της τάξης του 1kHz με αποτέλεσμα να χρησιμοποιούνται όλο και λιγότερο όσο περνάνε τα χρόνια. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η εξέλιξη των σημαντικότερων ηλεκτρονικών στοιχείων ισχύος τα τελευταία 50 χρόνια. Τα πλεονεκτήματα της αξιοποίησης του ηλεκτρονικού ελέγχου είναι: α) Η καλυτέρευση της ποιότητας ενεργείας (ως προς τη σταθερότητα της συχνότητας και της τάσης) μιας και τα αιολικά συστήματα και πάρκα με τη βοήθεια των ηλεκτρονικών στοιχείων ισχύος αποτελούν ενεργά πια μέρη των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας β) Ο ακριβής και συνεχές έλεγχος της περιστροφικής ταχύτητας της μηχανής, γεγονός που συμβάλλει τόσο στη μεγιστοποίηση της παραγόμενης ενέργειας(μέσω της ρύθμισης της πραγματικής ισχύος) όσο και στην ρύθμιση του συντελεστή ισχύος(μέσω του ελέγχου της άεργου ισχύος) γ) Η βελτίωση της συνολικής απόδοσης του συστήματος και δ) Η μείωση στα επίπεδα θορύβου στις χαμηλές ταχύτητες. Εντούτοις πέρα των πλεονεκτημάτων ο ηλεκτρονικά εφαρμοζόμενος έλεγχος παρουσιάζει και κάποια μειονεκτήματα, με βασικότερα τα παρακάτω: α) Παραγωγή υψηλών αρμονικών του ρεύματος στο δίκτυο β) Απώλειες ενέργειας στα ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος γ) Επιπλέον το όποιο κόστος οφείλεται στον πρόσθετο εξοπλισμό που αφορά τις ηλεκτρονικές συσκευές αυξάνει το τελικό συνολικό κόστος μιας εγκατάστασης ανεμογεννητριών, το οποίο βέβαια αξίζει να σημειωθεί ότι διαρκώς μειώνεται με το πέρασμα των χρόνων Ηλεκτρονικές Συσκευές Ισχύος Οι πιο ευρεία διαδεδομένες συσκευές ηλεκτρονικών ισχύος στα αιολικά συστήματα είναι οι παρακάτω: Μετατροπέας (ac/dc dc/ac converter): Είναι η κυρίως χρησιμοποιούμενη συσκευή ελέγχου στα αιολικά συστήματα. Αποτελείται από μια τριφασική εξαπαλμική γέφυρα με IGBT στοιχεία. Στην πράξη

94 84 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. χρησιμοποιούμε δύο τέτοιους μετατροπείς πλάτη με πλάτη (back-to-back) που συνδέονται μεταξύ τους μέσω μιας διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος (dc διασύνδεση) τοποθετώντας ένα μεγάλο πυκνωτή στη μέση που χρησιμεύει στην αποσύζευξη του ελέγχου τόσο από την πλευρά της μηχανής όσο και από την πλευρά του δικτύου. Το πλεονέκτημα μιας τέτοιας διάταξης είναι η αμφίδρομη σχέση που παρουσιάζεται στη μεταφορά ισχύος αλλά και η δυνατότητα ελέγχου ενεργού και άεργου ισχύος. Συνεπώς, ένας τέτοιος μετατροπέας μπορεί να λειτουργεί και ως ανορθωτής και ως αντιστροφέας. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα ενός διπλού back-to-back μετατροπέα ισχύος με IGBT στοιχεία. Σχήμα 2.20 : Διπλός ac/dc/ac μετατροπέας ισχύος Βασικό χαρακτηριστικό αυτού του τύπου μετατροπέων είναι οι υψηλές διακοπτικές συχνότητες που εμφανίζουν, οι οποίες μπορεί να αυξάνουν σημαντικά τις απώλειες στα διακοπτικά στοιχεία αλλά ταυτόχρονα δημιουργούν υψηλής συχνότητας αρμονικές όσον αφορά την τάση εξόδου (αύξηση τάξης) με αποτέλεσμα την δραστική μείωση της επίδρασης τους στο δίκτυο. Η συνήθως εφαρμοζόμενη μέθοδος ως προς την παλμοδότηση των μετατροπέων είναι η μέθοδος του Διαμορφωτή Εύρους Παλμών, PWM. Με τη συγκεκριμένη μέθοδο καταφέρνουμε οι αρμονικές των χαμηλών συχνοτήτων να εξαλείφονται και οι πρώτες αρμονικές υψηλής τάξης προσαρμόζουν τη συχνότητα τους στην διακοπτική συχνότητα του εκάστοτε ανορθωτή ή αντιστροφέα. Όσον αφορά τώρα τους χρησιμοποιούμενους μετατροπείς πηγής τάσης (VSC) στον back-to-back μετατροπέα ισχύος, εφαρμόζουμε τη μέθοδο του PWM διαμορφωτή προκειμένου να κατορθώσουμε να παράγουμε μια ημιτονοειδή, ελέγξιμη τάση εξόδου, σε μια επιθυμητή συχνότητα. Πιο συγκεκριμένα, μια τριγωνική κυματομορφή ενός φέροντος σήματος, το πλάτος της οποίας κρατιέται συνήθως σταθερό συγκρίνεται με ένα ημιτονοειδές σήμα αναφοράς,της επιθυμητής συχνότητας. Εάν, η τιμή του σήματος αναφοράς είναι μεγαλύτερη της τιμής της τριγωνικής τάσης τότε κλείνει ο πάνω διακόπτης του μετατροπέα. Έτσι, η τάση εξόδου οδηγείται στην θετική τιμή της dc τάσεως στην είσοδο του μετατροπέα(θετικός παλμός). Εάν πάλι συμβαίνει το αντίθετο, δηλαδή

95 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 85 η τιμή του σήματος ελέγχου(αναφοράς) είναι μικρότερη της αντίστοιχης στην τριγωνική κυματομορφή, τότε κλείνει ο κάτω διακόπτης του μετατροπέα και η έξοδος του μετατροπέα παίρνει την αρνητική τιμή της dc τάσεως εισόδου(αρνητικός παλμός). Η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής, η οποία επίσης κρατιέται σταθερή, καθορίζει την διακοπτική συχνότητα λειτουργίας των στοιχείων του μετατροπέα. Ορίζουμε, λοιπόν, ως συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους(και της γωνίας αναφοράς) τον παρακάτω λόγο : = (2.1) όπου = το πλάτος του σήματος αναφοράς = το πλάτος της τριγωνικής τάσης του φέροντος σήματος Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους σε ένα σύστημα αναφοράς κάθετων αξόνων d-q ορίζεται ως εξής : = (2.2) Όπου : = o συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους του μετατροπέα στον άξονα d = o συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους του μετατροπέα στον άξονα q με όρισμα γωνία ίση με: φ = ( ) (2.3) Το πλάτος της θεμελιώδους συχνότητας της τάσης εξόδου είναι ανάλογο του παραπάνω λόγου κατάτμησης, όταν λειτουργούμε στη γραμμική περιοχή του μετατροπέα(όταν δηλαδή ο λόγος κατάτμησης είναι μικρότερος ή ίσος με τη μονάδα). Η σχέση επομένως που συνδέει την ac με την dc τάση στις δύο πλευρές του μετατροπέα σε σχέση με το συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους δίνεται από τον παρακάτω τύπο :

96 86 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. = 1 (2.4) Όπου : το πλάτος της ημιτονοειδής ac τάσης εξόδου του μετατροπέα : η dc τάση στην είσοδο του μετατροπέα Στη συνέχεια, ορίζουμε τον συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας σύμφωνα με τον παρακάτω λόγο: = (2.5) όπου : είναι η συχνότητα του σήματος αναφοράς : είναι η συχνότητα του τριγωνικού φέροντος σήματος (η τιμή της κυμαίνεται μεταξύ 5-10 khz) Η συχνότητα του τριγωνικού φέροντος σήματος (ή φέρουσα συχνότητα) καθορίζει τη συχνότητα με την οποία αλλάζουν θέση οι διακόπτες του μετατροπέα και για το λόγο αυτό ονομάζεται και συχνότητα μετάβασης (switching frequency). Επιπλέον, μιας και το σήμα ελέγχου χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση της σχετικής διάρκειας αγωγής μπορούμε να πούμε ότι η συχνότητα αναφοράς είναι η επιθυμητή συχνότητα όσον αφορά την τάση εξόδου του μετατροπέα. Έτσι θα μπορούσαμε να την ονομάσουμε συχνότητα διαμόρφωσης (modulating frequency) Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε την σχηματική παράσταση της μεθόδου PWM για ένα απλοποιημένο μονοφασικό μετατροπέα. Παρατηρούμε τις κυματομορφές του σήματος ελέγχου, της τριγωνικής τάσης, της τάσης εξόδου του μετατροπέα και της θεμελιώδους συχνότητας της τάσης εξόδου.

97 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 87 Σχήμα 2.21 : Η σχηματική παράσταση της μεθόδου PWM Στην περίπτωση που δεν έχουμε ένα μονοφασικό μετατροπέα αλλά ένα τριφασικό, οι σχέσεις (1) και (2) που αφορούν τον συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους είναι ακριβώς οι ίδιες και η PWM μέθοδος εφαρμόζεται ως εξής: Τρία

98 88 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. σήματα ελέγχου της επιθυμητής συχνότητας και του ίδιου πλάτους, τα οποία έχουν μεταξύ τους διαφορά φάσεως 120 ο το καθένα, συγκρίνονται με την ίδια τριγωνική κυματομορφή. Με παρόμοιο τρόπο όπως προηγουμένως προκύπτει ότι η φασική τάση εξόδου του μετατροπέα, στη θεμελιώδη συχνότητα, δίνεται από τη παρακάτω σχέση: = (2.6) Εάν, θέλουμε την RMS τιμή της πολικής τάσεως στην έξοδο του μετατροπέα, για την θεμελιώδη συχνότητα, τότε θα χρησιμοποιήσουμε την παρακάτω σχέση: = (2.7) Ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής (soft starter): Είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που χρησιμοποιείται στις ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών και διευκολύνει την σύνδεση τους με το δίκτυο. Ο βασικός σκοπός της λειτουργίας τους είναι η μείωση των μεταβατικών ρευμάτων και επομένως και των ανεπιθύμητων διαταραχών που αυτά προκαλούν στο δίκτυο. Μάλιστα, η μη χρησιμοποίησή τους έχει ως συνέπεια τα μεταβατικά ρεύματα που εμφανίζονται στο σύστημα να είναι 7-8 φορές μεγαλύτερα από τις ονομαστικές τιμές τους, γεγονός που δημιουργεί σοβαρότατες διαταραχές στην τάση του δικτύου. Αποτελείται από ζεύγη αντιπαράλληλων θυρίστορ τα οποία εξασφαλίζουν την ομαλή ένταξη της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο μέσω της κατάλληλης ρύθμισης της γωνίας εναύσεως τους. Μόλις παρέλθει το μεταβατικό στάδιο, ο ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής παρακάμπτεται προκειμένου να αποφευχθούν επιπλέον απώλειες στο σύστημα εξαιτίας της χρήσης του. Συστοιχίες πυκνωτών: Χρησιμοποιούνται κυρίως σε ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας και πιο περιορισμένα σε μεταβλητής ταχύτητας. Ο βασικός τους στόχος είναι η εγκάρσια αντιστάθμιση άεργου ισχύος έτσι ώστε η γεννήτρια να μην χρειάζεται να απορροφά άεργο ισχύ από το δίκτυο κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της. Συνήθως, οι συστοιχίες πυκνωτών των αιολικών συστημάτων είναι τοποθετημένες στη βάση του πύργου των ανεμογεννητριών ενώ συνδέονται και αποσυνδέονται

99 Κεφάλαιο 2 : Αιολική Ενέργεια & Ανεμογεννήτριες 89 με τη βοήθεια ηλεκτρονικών διακοπτικών στοιχείων, όπως θυρίστορ (TSC, Thyristor Switched Capacitors). Αυτό σημαίνει ότι έχουμε ένα δυναμικό είδος αντιστάθμισης μιας και μας δίνεται η δυνατότητα μεταβολής της παρεχόμενης άεργου ισχύος ανάλογα με τις ανάγκες ζήτησης που υπάρχουν σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Τέλος, πρέπει να αναφέρουμε ότι η παρουσία συστοιχιών πυκνωτών στα αιολικά συστήματα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους συντήρησης σε αυτά μιας και οι πυκνωτές μπορεί είτε να υπερφορτιστούν είτε και να καταστραφούν από υπερτάσεις δικτύου που οφείλονται σε διακοπτικά σφάλματα, κεραυνικά πλήγματα κ.α. Ωστόσο, το αυξημένο αυτό κόστος συντήρησης αποδείχτηκε με το πέρασμα των χρόνων αρκετά ασύμφορο, γεγονός που οδήγησε στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών όσον αφορά τη λειτουργία των ανεμογεννητριών έτσι ώστε να μην έχουν ανάγκη την παρουσία πυκνωτών ως μέσα αντιστάθμισης της άεργου ισχύος.

100 90 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ.

101 Κεφάλαιο 3 Η Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη και τα δυναμικά μοντέλα της 3.1 Εισαγωγή Η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη αποτελεί μια δημοφιλής επιλογή στη αγορά των μηχανών. Η μηχανή αυτή περιστρέφεται σύγχρονα με το μαγνητικό πεδίο, δηλαδή με την ταχύτητα του στρεφόμενου πλαισίου. Βασικό χαρακτηριστικό της, όπως αναφέραμε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, είναι ότι η διέγερση παρέχεται από το μόνιμο μαγνήτη και δεν απαιτείται επιπλέον ενέργεια για τη δημιουργία του κατάλληλου μαγνητικό πεδίο για τη λειτουργία της. Προκειμένου να επιτύχουμε την ορθή ανάλυση και τον έλεγχο μιας τέτοιου είδους μηχανής κρίνεται απαραίτητη η ακριβή γνώση του δυναμικού μοντέλου που την εκφράζει καθώς και των διαφόρων παραμέτρων της. Μάλιστα,οι μηχανές μόνιμου μαγνήτη παρουσιάζονται σαφώς πλεονεκτικές, μιας και είναι ξεκάθαρο πως ο προσανατολισμός του στρεφόμενου συστήματος αναφοράς πρέπει να γίνει ως προς το πεδίο του δρομέα έτσι ώστε ο άξονας d να είναι ευθυγραμμισμένος με το μαγνήτη που παράγει το μαγνητικό πεδίο. Στη συνέχεια, θα αναλυθούν οι βασικοί τύποι μηχανών μόνιμου μαγνήτη, θα γίνει αναφορά στα διάφορα είδη μόνιμου μαγνήτη που χρησιμοποιούνται συνήθως και θα παρουσιαστεί το δυναμικό μοντέλο που περιγράφει την συμπεριφορά της μηχανής σε ένα σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς δύο αξόνων, αφού πρώτα θα έχει περιγραφεί διεξοδικά ο μαθηματικός μετασχηματισμός εκείνος που επέτρεψε την μεταφορά των εξισώσεων από το τριφασικό σύστημα στο ορθοκανονικό αυτό πλαίσιο που συμβάλλει στην απλοποίηση της διαδικασίας ελέγχου μέσω της δημιουργίας δύο ανεξάρτητων βρόγχων ελέγχου. 3.2 Υλικά και ιδιότητες μόνιμων μαγνητών Οι βασικότεροι τύποι μόνιμων μαγνητών που συνήθως χρησιμοποιούνται στις ηλεκτρικές μηχανές είναι:

102 92 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Μαγνήτες Alnico Οι μαγνήτες Alnico παρουσιάστηκαν για πρώτη φορά το 1931 και τα βασικά τους πλεονεκτήματα είναι ο μεγάλος παραμένων μαγνητισμός, η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και η μικρή μεταβολή της καμπύλης απομαγνήτισης λόγω θερμοκρασίας. Συνεπώς, οι ηλεκτρικές μηχανές µε μαγνήτες Alnico παρουσιάζουν μεγάλη μαγνητική επαγωγή στο διάκενο και επιτρέπουν υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας. ).Οι μαγνήτες Alnico κυριαρχούσαν στη βιομηχανία μόνιμων μαγνητών μέχρι το 1970.Ωστόσο,το υψηλό κόστος και η πολύ μικρή αντοχή σε εξωτερικά πεδία αποµαγνήτισης (μαλακοί) που χαρακτήριζε αυτό το είδος μαγνητών οδήγησε στη σταδιακή αντικατάσταση τους στις διάφορες εφαρμογές από πολύ πιο οικονομικούς κεραµικούς μαγνήτες (φερρίτες). Κεραμικοί μαγνήτες ή φερρίτες Οι κεραμικοί μαγνήτες ή φερρίτες πρωτοεμφανίστηκαν γύρω στο Σε σύγκριση με τους Αlnico,oι μαγνήτες αυτοί παρουσιάζουν πολύ μεγαλύτερη αντοχή σε πεδία απομαγνήτισης αλλά έχουν μικρότερη τιμή παραμένοντα μαγνητισμού. Επιπλέον, μπορεί η μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία λειτουργίας να είναι υψηλή αλλά οι μαγνητικές τους ιδιότητες είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες σε μεταβολές της θερμοκρασίας. Τα βασικά πλεονεκτήματα των κεραμικών μαγνητών είναι το πολύ χαμηλό κόστος ανά μονάδα ενέργειας και η μεγάλη ηλεκτρική αντίσταση µε αποτέλεσμα οι απώλειες δινορρευμάτων στο εσωτερικό τους να είναι σχεδόν αμελητέες. Επίσης, πρέπει να αναφέρουμε ότι η χρήση κεραμικών μαγνητών σε ηλεκτρικές μηχανές οδηγεί σε οικονομικότερες κατασκευές σε σχέση με τις αντίστοιχες µε μαγνήτες Alnico. Σήμερα, οι κεραμικοί μαγνήτες βρίσκουν εφαρμογή κυρίως σε μηχανές μικρής ισχύος (μέχρι περίπου της τάξης των 7kW) Μαγνήτες σπάνιων γαιών Οι μαγνήτες σπάνιων γαιών είναι μαγνήτες τελευταίας γενιάς και παρουσιάζουν πολύ καλύτερα μαγνητικά χαρακτηριστικά σε σύγκριση µε τους κεραμικούς και τους Alnico.Πιο συγκεκριμένα πλεονεκτικά χαρακτηριστικά των μαγνητών αυτών είναι οι μεγάλες τιμές του παραμένοντα μαγνητισμού και του πεδίου απομαγνήτισης Παράλληλα, μπορεί το υψηλό κόστος να αποτελεί το σημαντικότερο μειονεκτήματά τους αλλά βάσει των ιδιοτήτων τους, η τιμή τους παραμένει ανταγωνιστική και γι αυτό κυριαρχούν στην αγορά. Στην κατηγορία των μαγνητών των σπάνιων γαιών ανήκουν κράματα μετάλλων µε βάση το σαμάριο Sm (SmCo) και το νεοδήµιο Nd (NdFeΒ). Αξίζει να αναφέρουμε πως οι μαγνήτες SmCo πρωτοεμφανίστηκαν γύρω στο 1960 ενώ οι μαγνήτες NdFeΒ στις αρχές του Σήμερα, οι μόνιμοι μαγνήτες σπάνιων γαιών χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικές μηχανές από μερικά Watt μέχρι και πολλά kw,

103 Κεφάλαιο 3 : Η Σ.Μ.Μ.Μ. και τα δυναμικά μοντέλα της 93 σε μεγάλο εύρος εφαρμογών και τύπων μηχανών. Κυρίως προτιμούνται σε περιπτώσεις όπου απαιτούνται υψηλός λόγος ισχύος προς όγκο, υψηλός βαθμός απόδοσης καθώς και καλή δυναμική συμπεριφορά του συστήματος της μηχανής 3.3 Τύποι σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Η κατηγοριοποίηση στην οποία υπόκεινται οι σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη μπορεί να γίνει : α. είτε με βάση την μορφή της επαγόμενης τάσης στο στάτη β. είτε με βάση την κατανομή του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της μηχανής γ. είτε με βάση την τοποθέτηση των μόνιμων μαγνητών στο δρομέα. Με βάση την μορφή της επαγόμενης τάσης στο στάτη Μπορούμε να διακρίνουμε : Τις τραπεζοειδείς ή τετραγωνικού παλμού ή διακοπτικής διέγερσης σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη (trapezoidal ή squarewave ή switched PM synchronous machines) και Τις ημιτονοειδείς σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη (sinusoidal PM synchronous machines) Στις τραπεζοειδείς ή τετραγωνικού παλμού ή διακοπτικής διέγερσης σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη τα φασικά ρεύματα στο στάτη έχουν τετραγωνική μορφή. Επειδή, η σχέση ροπής-ταχύτητας που προκύπτει µε την εφαρμογή του κατάλληλου ελέγχου είναι αντίστοιχη της μηχανής συνεχούς ρεύματος έχει καθιερωθεί σε διεθνή επίπεδο ο χαρακτηρισμός τους ως «brushless dc machines». Με άλλα λόγια, μπορεί οι μηχανές αυτές να μην μοιάζουν καθόλου ως προς την κατασκευή τους µε τις κλασικές μηχανές συνεχούς ρεύματος, ωστόσο µέσω του ελέγχου κατορθώνουμε να συμπεριφέρονται σαν να είναι μηχανές συνεχούς ρεύματος. Τέλος, οι μαγνήτες που είναι τοποθετημένοι στην επιφάνεια του δρομέα επάγουν τάση τραπεζοειδούς μορφής(τραπεζοειδής τάση εξ επαγωγής) στα τυλίγματα του στάτη. Η ροπή που παράγουν είναι σταθερή σχεδόν σε όλο το εύρος λειτουργίας τους.

104 94 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Σχήμα 3.1 : Τραπεζοειδής τάση εξ επαγωγής Στις ημιτονοειδείς σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη, η τάση εξ επαγωγής είναι ημιτονοειδούς μορφής έτσι ώστε η αλληλεπίδρασή της µε τα επίσης ημιτονοειδή ρεύματα να οδηγεί στην παραγωγή σταθερής ροπής µε πολύ μικρές ταλαντώσεις. Οι μηχανές αυτές έχουν τη συμπεριφορά των κλασικών σύγχρονων μηχανών γι αυτό το λόγο καλούνται και «brushless ac» μηχανές. Επιπρόσθετα, σε αυτού του είδους τις μηχανές εφαρμόζεται συνήθως διανυσματικός έλεγχος (Boldea, 1992) γεγονός το οποίο οδήγησε στη διαχείριση λειτουργικών μεγεθών σε μορφή παρόμοια με εκείνη των μεγεθών των μηχανών συνεχούς ρεύματος. Μάλιστα, αυτή η προσομοίωση της λειτουργίας των μηχανών αυτών, τουλάχιστον σε επίπεδο ελέγχου, με τις μηχανές συνεχούς ρεύματος έχει ως αποτέλεσμα οι ημιτονοειδείς σύγχρονες μηχανές αυτής της κατηγορίας να συγχέονται πολλές φορές µε τις «brushless dc» μηχανές της προηγούμενης κατηγορίας. Ωστόσο ακόμα και ο χαρακτηρισμός τους ως brushless dc μηχανές δεν μπορεί να θεωρηθεί ως εντελώς λάθος. Σχήμα 3.2 : Ημιτονοειδής τάση εξ επαγωγής

105 Κεφάλαιο 3 : Η Σ.Μ.Μ.Μ. και τα δυναμικά μοντέλα της 95 Με βάση την κατανομή του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό μηχανής της Οι κύριες κατηγορίες που διακρίνονται είναι: Οι μηχανές ακτινικής ροής (radial flux machines), Οι μηχανές αξονικής ροής (axial flux machines) και Οι μηχανές εγκάρσιας ροής (transverse flux machines) Οι μηχανές ακτινικής ροής (RFPM) παίρνουν το όνομα τους από το γεγονός ότι οι δυναμικές γραμμές μεταξύ δρομέα και στάτη ακολουθούν ακτινική διεύθυνση. Ο δρομέας σε αυτές τις μηχανές μπορεί να είναι εσωτερικός ή σπάνια εξωτερικός. Τα πλεονεκτήματα που εμφανίζουν οι γεννήτριες ακτινικής ροής είναι ότι έχουν χαμηλότερο κόστος από τις γεννήτριες αξονικής ροής. Επιπλέον, για την επίτευξη μεγαλύτερων τιμών ισχύος αρκεί να μεταβληθεί μόνο το μήκος της μηχανής, χωρίς να χρειάζεται νέος σχεδιασμός και γεωμετρία. Ωστόσο, οι μηχανές αυτές είναι αρκετά πιο ογκώδεις σε σχέση με τις μηχανές αξονικής και εγκάρσιας ροής και σε ότι έχει να κάνει με το ενεργό βάρος και το μήκος του άξονα. Σήμερα, οι μηχανές μόνιμων μαγνητών ακτινικής ροής είναι οι πιο συχνά εμφανιζόμενες μηχανές και έχουν ευρεία χρήση σε εφαρμογές με άμεση οδήγηση(χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων). Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η ακτινικά φορά της ροής της συγκεκριμένης μηχανής. Σχήμα 3.3 : Εσωτερικό μηχανής ακτινικής ροής

106 96 Απευθείας Έλεγχος Ενεργού / Άεργου Ισχύος σε Ανεμογεννήτρια Σ.Μ.Μ.Μ. Οι μηχανές αξονικής ροής (AFPM) έχουν ως βασικό χαρακτηριστικό, από το οποίο παίρνουν και το όνομα τους, ότι το μαγνητικό πεδίο ακολουθεί πορεία αξονικής διεύθυνσης και τα τυλίγματα είναι προσανατολισμένα σε ακτινική διεύθυνση. Το κυριότερο πλεονέκτημα αυτού του είδους μηχανής μόνιμου μαγνήτη είναι η παραγωγή υψηλής πυκνότητας ροπής και ισχύος, γεγονός που τις καθιστά κατάλληλες σε εφαρμογές που υπάρχουν περιορισμοί μεγέθους της μηχανής ιδίως σε αξονική κατεύθυνση. Σε σύγκριση με την μηχανή ακτινικής ροής, πλεονεκτεί στο ότι έχει απλό τύλιγμα, χαμηλή οδοντόμορφη ροπή, ελάχιστο θόρυβο, μικρό αξονικό μήκος και υψηλότερο λόγο ροπής προς τον όγκο. Αντίθετα, μειονεκτεί στο ότι εμφανίζει μικρότερο λόγο ροπής-μάζας και μεγαλύτερη εξωτερική διάμετρο που σημαίνει μεγαλύτερη απαίτηση σε μόνιμους μαγνήτες. Σχήμα 3.4 : Εσωτερικό μηχανής αξονικής ροής Οι μηχανές εγκάρσιου ροής (TFPM) έχουν μόνιμους μαγνήτες στο δρομέα, οι οποίοι μάλιστα είναι προσανατολισμένοι κατά τέτοιο τρόπο ώστε η μαγνητική ροή να ρέει μέσα στο διάκενο σε διεύθυνση εν μέρει κατά την αξονική διεύθυνση και κυρίως κάθετη-εγκάρσια προς τον άξονα της μηχανής. Το συγκεκριμένο είδος μηχανών έχει πάντα τον ίδιο αριθμό τυλιγμάτων με τον αριθμό φάσεων, ο οποίος είναι ανεξάρτητος του αριθμού των πόλων.h βασική διαφορά σε σχέση με τους προηγούμενους δύο τύπους είναι ότι η μηχανή αυτή επιτρέπει την αύξηση του χώρου για τα τυλίγματα χωρίς να μειώνεται ο διαθέσιμος χώρος για την ανάπτυξη του κύριου μαγνητικού πεδίου, συμβάλλοντας έτσι και στη μείωση των απωλειών χαλκού.

107 Κεφάλαιο 3 : Η Σ.Μ.Μ.Μ. και τα δυναμικά μοντέλα της 97 Επιπρόσθετα, παρουσιάζει ιδιαίτερα υψηλές ροπές και είναι μια συμπαγής κατασκευή, ιδιαίτερα όμως περίπλοκη η οποία εμφανίζει χαμηλό συντελεστή ισχύος στις υψηλές ροπές. Σήμερα, παρόλο που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές χαμηλών στροφών άμεσης οδήγησης, εξαιτίας του μικρού πολικού βήματος που έχουν, δεν παρατηρούνται συχνά. Σχήμα 3.5 : Εσωτερικό μηχανής εγκάρσιας ροής Με βάση την τοποθέτηση των μόνιμων μαγνητών της μηχανής Μπορούμε να διακρίνουμε τις περιπτώσεις: των μηχανών επιφανειακού μαγνήτη (surface mounted magnet) καθώς και των μηχανών εσωτερικού μαγνήτη (interior magnet). Οι μηχανές επιφανειακού μαγνήτη (SPMSG) έχουν τους μόνιμους μαγνήτες τοποθετημένους στην επιφάνεια του ρότορα, αποτελώντας την πιο συνηθισμένη διαμόρφωση. Το βασικό πλεονέκτημα αυτών των μηχανών είναι η παροχή της μέγιστης πυκνότητας μαγνητικής ροής αφού ο μαγνήτης έρχεται σε επαφή κατευθείαν με το διάκενο. Επιπρόσθετα, παρουσιάζουν απλότητα και χαμηλό κόστος κατασκευής σε σχέση με τις άλλες διατάξεις μόνιμων μαγνητών. Μάλιστα, οι μαγνήτες σε αυτού του τύπου τις μηχανές μπορούν να θεωρηθούν σαν να υπήρχε στη θέση τους αέρας μιας και η διαπερατότητά τους είναι κοντά