ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Διδάσκων: Δρ. Ριζιώτης Βασίλης Αιολικό Δυναμικό

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

3 Η Αιολική Ενέργεια u Η αιολική ενέργεια είναι προϊόν της ηλιακής ενέργειας u 2% της ηλιακής ακτινοβολίας μετατρέπεται σε άνεμους. u Η αιολική ενέργεια είναι η κινητική ενέργεια του κινούμενου αέρα. u Αιτία: Η ακανόνιστη θέρμανση της επιφάνειας της γης από τον ήλιο.

4 Ο Άνεμος Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών πιέσεων που προκαλούνται κυρίως από την άνιση θέρμανση των διαφόρων περιοχών της γης από τον ήλιο. u Διαφορετικό γεωγραφικό πλάτος u Στεριά θάλασσα u Επίδραση περιστροφής της γης

5 Ανομοιόμοφη θέρμανση της γης Εξαιτίας της καμπυλότητας της επιφάνειας της γης οι ακτίνες του ήλιου πέφτουν όλο και πιο πλάγια, καθώς πηγαίνουμε σε όλο και μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη όπου οι ακτίνες του ήλιου έχουν να διανύσουν όλο και μεγαλύτερη απόσταση μέσα στην ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη ηλιακή ενέργεια να απορροφηθεί πριν φτάσει στην επιφάνεια της γης. Επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας Ιούλιος 1984 (Πηγή: Nasa)

6 Ο Άνεμος Κατακόρυφη μεταφορά Ιδανική κίνηση του ανέμου αν η Γη δεν περιστρεφόταν. Ένα στρώμα αέρα, που θα έρθει σε επαφή με τη γήινη επιφάνεια θα θερμανθεί και θα ανέλθει (~10km). Τη θέση του θα καλύψει ένα στρώμα ψυχρότερου αέρα, που με τη σειρά του θα θερμανθεί και θα ανέλθει (ο θερμός αέρας έχει μικρότερη πυκνότητα από τον ψυχρό). Αυτή η κυκλική-ανοδική-καθοδική κίνηση θερμών και ψυχρών ρευστών μαζών, ονομάζεται Κατακόρυφη μεταφορά. Επίδραση της περιστροφής της Γης (Coriolis)

7 Επίδραση της περιστροφής της γης Ο άνεμος θερμαίνεται γρηγορότερα στον ισημερινό και ανυψώνεται και κινείται προς τα βόρια και νότια. Στον ισημερινό υπάρχει χαμηλή πίεση, ενώ στους πόλους υψηλή πίεση. Οι άνεμοι λειτουργούν ως παγκόσμιος εναλλάκτης θερμότητας εμποδίζοντας την περαιτέρω θέρμανση του ισημερινού και ψύξη των πόλων.

8 Τοπικοί άνεμοι στεριά θάλασσα Η ξηρά έχει μικρότερη θερμοχωρητικότητα από την θάλασσα, κι αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να ψύχεται και να θερμαίνεται πιο γρήγορα από την θάλασσα. Η ξηρά την ημέρα είναι θερμότερη από τη θάλασσα, με αποτέλεσμα ψυχρότερες αέριες μάζες να μετακινούνται από τη θάλασσα προς την ξηρά για να αντικαταστήσουν τις θερμές μάζες που ανέρχονται και δημιουργούν με τον τρόπο αυτό τη γνωστή θαλάσσια αύρα. Κατά τη διάρκεια της νύχτας η θάλασσα είναι θερμότερη από την ξηρά. Ο αέρας που είναι σε επαφή με τη θάλασσα θερμαίνεται, ανέρχεται και αντικαθίσταται από ψυχρότερο που προέρχεται από την στεριά.

9 Τοπικοί άνεμοι βουνά κοιλάδες Τα βουνά κατά τη διάρκεια της ημέρας θερμαίνονται γρηγορότερα από τις γειτονικές κοιλάδες. Έτσιο αέρας που έρχεται σε επαφή με την πλαγιά θερμαίνεται, και θερμαινόμενος ανέρχεται για να αντικατασταθεί από τις ψυχρότερες μάζες της κοιλάδας. Έτσικατά την διάρκεια της μέραςέχουμε τοπικά άνεμους που πνέουν από την κοιλάδα προς το βουνό.

10 Αιολικό Δυναμικό Χρονική Μεταβλητότητα Ανέμου Πηγή: Ανεμοκινητήρες, Μπεργελές Γ., εκδόσεις Συμεών

11 Πηγή: Ανεμοκινητήρες, Μπεργελές Γ., εκδόσεις Συμεών Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα Αιολικό Δυναμικό Στο κατώτατο τμήμα της ατμόσφαιρας λόγω του ιξώδους του αέρα δημιουργείται ένα στρώμα αέρα, το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα, μέσα στο οποίο η σχετική ταχύτητα μεταβάλλεται από μηδέν πάνω στην επιφάνεια της Γης, μέχρι μεγαλύτερες τιμές. Τα χαρακτηριστικά του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος, καθορίζονται κυρίως από την μορφή της επιφάνειας της Γης (τραχύτητα εδάφους), αλλά και από τον άνεμο και την κατάσταση της ατμόσφαιρας.

12 Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα Μεταβολή του ύψος με την τραχύτητα του εδάφους Αιολικό Δυναμικό Πηγή: Ανεμοκινητήρες, Μπεργελές Γ., εκδόσεις Συμεών

13 Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα Αιολικό Δυναμικό Οι εκφράσεις που χρησιμοποιούμε για να υπολογίσουμε την διανομή της ταχύτητας μέσα στο επιφανειακό στρώμα είναι: U(z) = U k * ln z z 0 α λογαριθμικός νόμος z U(z) = U(z0 ) z εκθετικός νόμος 0 U * = τ 0 ρ Όπου: U(z) η ταχύτητα του ανέμου σε ύψος z, U * η ταχύτητα τριβής, εξαρτώμενη από την τραχύτητα της επιφάνειας και την πυκνότητα του ανέμου k η σταθερά von Karman (k=0.35) και z 0 η παράμετρος τραχύτητας ή μήκος τραχύτητας α ο εκθέτης του εκθετικού νόμου, δείχνει τη μορφή της επιφάνειας του εδάφους π.χ: α=0.17 για ανοικτά πεδία, (θάλασσα ή ο χώρος ενός αεροδρομίου), α=0.20 για μικρές πόλεις και χωριά α=0.25 για πόλεις με μεγάλες και πολυώροφες κατασκευές.

14 Αιολικό Δυναμικό Χαρακτηριστικά τύρβης του ανέμου u(t) = u + u ʹ(t) t 1 uʹ = u ʹ(t) dt = 0 t 0 t σ U = ( u(t) u ) dt t 0 ns( n) σ 2 U 4 nlk / u (1+ 6 nlk / u ) = 4 nl / u + 5/3 v 2 5/6 (1 70.8( nlv / u) ) ( Kaimal) ( von Karman) n : L : u : συχνότητα κλίμακα μήκους μέση ταχύτητα Sn ( ): φάσμα ανέμου

15 Αιολικό Δυναμικό Χαρακτηριστικά τύρβης του ανέμου ns(n)/σ^ Πυκνότητα ενέργειας φάσματος von Karman Kaimal 2π int H( n) = u( t) e dt 2π int ut () = Hn ( ) e dn 2 2 Sn ( ) = Hn ( ) + H( n) 0 n< frequency

16 Αιολικό Δυναμικό Χαρακτηριστικά τύρβης του ανέμου / Παράδειγμα ns( n) σ = 4 nl / u v 2 2 5/6 U ( ( nlv / u) ) u = 8 m/ s σ U = 0.8 m/ s Lv = 50 m n*s(n)/σu^ von Karman αδιάστατο φάσμα n [hz]

17 Αιολικό Δυναμικό Χαρακτηριστικά τύρβης του ανέμου / Παράδειγμα ns( n) σ = 4 nl / u v 2 2 5/6 U ( ( nlv / u) ) u = 8 m/ s σ U = 0.8 m/ s Lv = 50 m S(n) [(m/s)^2] von Karman Διαστατό φάσμα n[hz]

18 Αιολικό Δυναμικό S(n) [(m/s)^2] Χαρακτηριστικά τύρβης του ανέμου / Παράδειγμα n[hz] n= Hz u [m/s] time [s]

19 Αιολικό Δυναμικό S(n) [(m/s)^2] Χαρακτηριστικά τύρβης του ανέμου / Παράδειγμα n[hz] n=0.01 Hz u [m/s] time [s]

20 Αιολικό Δυναμικό S(n) [(m/s)^2] Χαρακτηριστικά τύρβης του ανέμου / Παράδειγμα n[hz] n=0.1 Hz u [m/s] time [s]

21 Αιολικό Δυναμικό S(n) [(m/s)^2] Χαρακτηριστικά τύρβης του ανέμου / Παράδειγμα n[hz] sum 3 frequencies 0.5 u [m/s] time [s] άθροισμα 3 συχνοτήτων

22 S(n) [(m/s)^2] n[hz] sum all frequencies Αιολικό Δυναμικό Χαρακτηριστικά τύρβης του ανέμου / Παράδειγμα 2π int H( n) = u( t) e dt 2π int ut () = Hn ( ) e dn 2 2 Sn ( ) = Hn ( ) + H( n) 0 n< u [m/s] time [s] συνεισφορά όλων των συχνοτήτων

23 Επίδραση της Ανώμαλης τοπογραφίας Αιολικό Δυναμικό Σε μια ανώμαλη τοπογραφία, η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να μεταβάλλεται σημαντικά μεταξύ κοντινών περιοχών. Ο θεωρητικός υπολογισμός των επιδράσεων της ανώμαλης τοπογραφίας στηνταχύτητατου ανέμου μπορεί να γίνει πολύ δύσκολα και μόνο με την χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών και εργαλείων που λύνουν τις εξισώσεις που περιγράφουν την ροή.

24 Επίδραση της Ανώμαλης τοπογραφίας Αιολικό Δυναμικό

25 Αιολικό Δυναμικό Εξετάζοντας μια λοφοσειρά, ο άνεμος που τη συναντάει, επιταχύνεται στην κορυφή και επιβραδύνεται στους πρόποδες.

26 Περιοχή διαταραγμένης ροής πίσω από εμπόδιο Αιολικό Δυναμικό Κύριος άνεµος Περιοχή µεγάλων διαταραχών ροής Όταν η ροή του ανέμου συναντάει κάποιο εμπόδιο, δημιουργείται μια αναταραχή, δηλαδή η ροή γίνεται τυρβώδης, με κύρια χαρακτηριστικά τη μείωση της μέσης ταχύτητας του ανέμου και την αύξηση της τύρβης. Η τοποθέτηση και λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας κατάντι ενός εμποδίου έχει ως αποτέλεσμα εκτός από τη μειωμένη αποδοτικότητα, και τη μείωση στη διάρκεια ζωής της μηχανής λόγω της ανεπιθύμητης επιπλέον καταπόνησης, λόγω της τυρβώδους ροής.

27 Περιοχή διαταραγμένης ροής πίσω από εμπόδιο Αιολικό Δυναμικό Πλάγια όψη Κάτοψη

28 Αιολικό Δυναμικό Στατιστικά χαρακτηριστικά ανέμου Η µέση ταχύτητα του ανέµου υπολογίζεται δεδοµένης µιας σειράς µετρήσεων από την σχέση: N v = 1 N 1 v n όπου η µέση ταχύτητα ανέµου, V n η ταχύτητα του ανέµου στο n σηµείο των µετρήσεων και n=1,2,,n ο αριθµός των µετρήσεων. Η τυπική απόκλιση σ δείχνει πόσο οι µετρήσεις αποκλίνουν από τη µέση τιµή του ανέµου: 1 σ= v v Ν-1 Ν ( ) 2 n 1 και ονοµάζεται ένταση της τύρβης. Μέτρο της έντασης της τύρβης αποτελεί η ποσότητα (αδιάστατη τιµή): I = σ v Με τον όρο τύρβη ονοµάζουµε τη διαταραχή της ταχύτητας του ανέµου (διαφορές στιγµιαίας ταχύτητας από τη µέση τιµή ταχύτητας) και έχει ιδιαίτερη σηµασία για την απόδοση των αιολικών µηχανών, αλλά και τον υπολογισµό της αντοχής λόγω των εναλλασσόµενων φορτίων που αναπτύσσονται και που οδηγούν στην κόπωση των υλικών της µηχανής.

29 Αιολικό Δυναμικό m/s Οκτ Μαϊ Εποχική μεταβολή της μέσης ταχύτητας του ανέμου

30 Αιολικό Δυναμικό μέση μηνιαία ταχύτητα ανέμου (m/s) Ιαν Φεβρ Μαρτ Απρ Μαϊος Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπτ Οκτ Νοεμ Δεκ Ιαν Φεβρ Μαρτ Απρ Μαϊος Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπτ Οκτ Νοεμ Δεκ

31 Αιολικό Δυναμικό Μετρήσεις αποδεικνύουν ότι η μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου κάθε χρόνο διαφέρει από μέρος σε μέρος και από χρόνο σε χρόνο. Θεωρείται απαραίτητο να υπάρχουν ανεμολογικές μετρήσεις τουλάχιστον 12μηνών στη θέση εγκατάστασης (νομοθεσία). Συσχέτιση με μακροχρόνιες μετρήσεις στην ευρύτερη περιοχή Εκτός από τη γνώση της μέσης ετήσιας ταχύτητας, χρήσιμο είναι να είναι γνωστή και η εποχιακή διακύμανση της ταχύτητας του ανέμου, καθώς και η διάρκεια πνοής του ανέμου.

32 Καμπύλη διάρκειας - Πυκνότητα πιθανότητας πνοής ανέμου Αιολικό Δυναμικό 100 Καµπύλη διάρκειας πνοής ανέµου Πυκνότητα πιθανότητας πνοής ανέµου 12% χρόνος σε ποσοστό % του έτους ταχύτητα ανέμου (m/sec) χρόνος σε ποσοστό % του έτους 10% 8% 6% 4% 2% 0% Ταχύτητα ανέμου (m/sec)

33 Αιολικό Δυναμικό f(v) k 1 k V V = exp c c c k Πυκνότητα πιθανότητας κατανομής μέσης ταχύτητας Weibull

34 Αιολικό Δυναμικό f(v) k 1 k k V V = exp c c c Η διάρκεια πνοής ανέμου δίνεται από την σχέση: U PV ( U) = f( VdV ) = 1 exp 0 U c k

35 Αιολικό Δυναμικό Η διάρκεια πνοής ανέμου δίνεται από την σχέση: QV ( > U=1 ) PV ( U) = exp U c k lnq= U c U ln ( lnq ) =ln c k ln( lnq ) =k lnu k lnc 0.00 k διάρκεια πνοής Q=1-F wind speed [m/s]

36 Αιολικό Δυναμικό 1.20 διάρκεια πνοής Q=1-F ln lnq =k lnu k lnc ( ) wind speed [m/s] ln(-lnq) lnu

37 Συσχέτιση με πειραματικά δεδομένα Αιολικό Δυναμικό

38 Αιολικό Δυναμικό Μέση ταχύτητα ανέμου Η μέση ταχύτητα του ανέμου μπορεί να υπολογιστεί όταν δίνονται οι παράμεροι c και k της κατανομής Weibull από την σχέση: V = V f (V)dV V= 0 V 1 = c Γ 1 + k Συνάρτηση Γ a1 a2 3 Γ ( x) = t e dx x e 2π , 2 3 x 0 x x a1 =, a2 =, a3 =, a4 =, x x x x a

39 Αιολικό Δυναμικό Μεταβολές στην κατεύθυνση του ανέμου Ρόδο ανέμου Πηγή: Ανεμοκινητήρες, Μπεργελές Γ., εκδόσεις Συμεών

40 Διερεύνηση Αιολικού Δυναμικού Περιοχής Αιολικό Δυναμικό

41 Υπολογισμός παραγόμενης ενέργειας Αιολικό Δυναμικό

42 Αιολικό Δυναμικό 1 P = Cp ρ Α V 2 Cp συντελεστής Ισχύος Vcut-in η ταχύτητα έναρξης λειτουργίας V F η ταχύτητα διακοπής λειτουργίας V R η ονομαστική ταχύτητα Ισχύς (kw) P R 200 Μέση ετήσια παραγόμενη ισχύς: 100 V cut-in V R V F P = V= 0 f(v) P(V)dV = 25 V= 3 f(v) P(V)dV Ταχύτητα ανέµου (m/sec) = 13 V= 3 f(v) P(V)dV + P R 25 V= 13 f(v)dv

43 Αιολικό Δυναμικό Ταχύτητα ανέμου (m/s) Παραγόμενη Ισχύς (kw) P(V) Καμπύλη ισχύος 1000 kw

44 Ταχύτητα ανέμου (m/s) Συχνότητα εμφάνισης ανέμου f(v) Αιολικό Δυναμικό Ανεμολογικά δεδομένα k 1 k k V V f(v) = exp c c c k=1.9 m/s c=10 m/s

45 Αιολικό Δυναμικό power (kw) Υπολογισμός Ενέργειας probability density wind speed (m/s) wind speed (m/s) power (kw) wind speed (m/s)

46 Αιολικό Δυναμικό Υπολογισμός Ενέργειας wind speed (m/s) probability density power (kw) f(v)*p(v) Integration Mean Power= 433 kw

47 Παράγοντες που επηρεάζουν την παραγόμενη ενέργεια Αιολικό Δυναμικό Η διαθεσιμότητα της μηχανής εκφράζει το ποσοστό του χρόνου που είναι διαθέσιμη η ανεμογεννήτρια για να λειτουργήσει και εκφράζεται με τον συντελεστή διαθεσιμότητας (Σ.Δ.) Οι απώλειες μεταφοράς Ο βαθμός απόδοσης του αιολικού πάρκου εκφράζει τις απώλειες που έχουμε λόγω αλληλεπίδρασης ανεμογεννητριών σε αιολικά πάρκα, και οφείλεται κατά κύριο λόγο στο έλλειμμα της ταχύτητας που παρουσιάζεται στον ομόρρου της ανεμογεννήτριας Ο συντελεστής εκμεταλλευσιμότητας της ανεμογεννήτριας ορίζεται ως: E CF = E P όπου E = 8760 P = R R R P R Ένας ικανοποιητικός συντελεστής εκμεταλλευσιμότητας είναι της τάξεως από 0.25 έως 0.35.

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