Θεοδώρου Αθανάσιου του Ιωάννη

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ιπλωµατική Εργασία του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών Θεοδώρου Αθανάσιου του Ιωάννη Αριθµός Μητρώου: 6260 Θέµα «Αντικεραυνική προστασία ανεµογεννητριών» Επιβλέπουσα ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Αριθµός ιπλωµατικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2017

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η ιπλωµατική Εργασία µε θέµα «ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ» Του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Θεοδώρου Αθανάσιου του Ιωάννη Αριθµός Μητρώου: 6260 Παρουσιάστηκε δηµόσια και εξετάστηκε στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../ 07../ 2017 Η Επιβλέπουσα Πυργιώτη Ελευθερία Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ο ιευθυντής του Τοµέα Αλεξανδρίδης Αντώνιος Καθηγητής - 2 -

3 Αριθµός ιπλωµατικής Εργασίας: Θέµα: «Αντικεραυνική προστασία ανεµογεννητριών» Φοιτητής: Θεοδώρου Αθανάσιος του Ιωάννη Επιβλέπουσα: Πυργιώτη Ελευθερία - 3 -

4 Ευχαριστίες Θα επιθυµούσα να ευχαριστήσω θερµά την επιβλέπουσα Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Κα Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγηση και την αµέριστη συµπαράστασή της, για την εκπόνηση αυτής της ιπλωµατικής Εργασίας µου

5 Η πρώτη αυτόµατα λειτουργούσα ανεµογεννήτρια κατασκευάστηκε στο Cleveland το 1887 από τον Charles F. Brush. Είχε ύψος 18 µέτρα, ζύγιζε 4 τόνους και είχε ισχύ 12 kw. [10] - 5 -

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωµατική εργασία ασχολείται µε την αντικεραυνική προστασία των ανεµογεννητριών. Οι ανεµογεννήτριες, εξαιτίας του µεγάλου ύψους στο οποίο τοποθετούνται, είναι ευεπίφορες στην προσέλκυση των κεραυνικών πληγµάτων, µε αποτέλεσµα να διατρέχουν αυξηµένο κίνδυνο µερικής ή και ολικής καταστροφής. Γι αυτό το λόγο απαιτείται η χρήση ενός συστήµατος αντικεραυνικής προστασίας, προκειµένου να διασφαλιστεί ότι ο κίνδυνος από τα πλήγµατα των κεραυνών θα ελαχιστοποιηθεί. Το βασικό κοµµάτι ενός τέτοιου συστήµατος είναι εκείνο της γείωσης, η οποία θα πρέπει να σχεδιαστεί προσεκτικά και µεθοδικά, ούτως ώστε να διασφαλιστεί ότι δεν θα ανακύψει κάποια βλάβη ή αστοχία υλικού που θα µπορούσε να µειώσει την αποτελεσµατικότητα του συστήµατος προστασίας. Σε αυτή την εργασία αναλύεται η µεταβατική συµπεριφορά ενός συστήµατος γείωσης µιας ανεµογεννήτριας, όταν αυτή πλήττεται από έναν κεραυνό. Γίνεται επίσης αναφορά στο πρόγραµµα ATP-EMTP, που αποτελεί ένα εργαλείο για τη µελέτη της µεταβατικής συµπεριφοράς τέτοιων συστηµάτων. Ειδικότερα στο Κεφάλαιο 1, γίνεται µια σύντοµη ιστορική αναφορά στην έννοια του κεραυνού και παρουσιάζονται κάποια βασικά µεγέθη που σχετίζονται µε αυτόν. Στο Κεφάλαιο 2, αναλύεται η ανεµογεννήτρια σαν κατασκευή ενώ παρουσιάζονται και τα δοµικά της χαρακτηριστικά. Στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζονται οι επιπτώσεις στα διάφορα τµήµατα µιας ανεµογεννήτριας, όταν αυτά πληγούν από κεραυνό. Στο Κεφάλαιο 4, περιγράφονται οι βασικές έννοιες που σχετίζονται µε τα συστήµατα γείωσης. Στο Κεφάλαιο 5, γίνεται αναφορά στα υπάρχοντα µοντέλα που έχουν προταθεί για την µελέτη της µεταβατικής συµπεριφοράς των συστηµάτων γείωσης και ακολουθεί εισαγωγή στο πρόγραµµα ATP-EMTP, µε το οποίο προσοµοιώνεται η συµπεριφορά των µεταβατικών καταστάσεων αυτών των συστηµάτων. Λέξεις κλειδιά: Ανεµογεννήτρια, αντικεραυνική προστασία, κεραυνικό πλήγµα

7 Abstract The lightning protection of wind turbines is a critical matter, because of the increased risk faced by wind turbines from lighting strikes. This risk is due to the trend of increasing the height of wind turbines in the past years, which makes them more vulnerable to lighting strikes. An important part of the lighting protection system for wind turbines is grounding, which should designed with care to prevent incidents of damage to the equipment or danger of electrocution to people. This work is constituted by 5 chapters and a wide relative bibliography. The subject of this diploma thesis is to analyze the transient behavior of the grounding system of a wind turbine when it gets hit by lighting. More specifically in Chapter 1, is described in a short historical report the significance of lightning and are presented certain basic notions that are related with this. In Chapter 2, is analysed the wind turbine as manufacture and presented its basic structural characteristics. In Chapter 3, are presented the damages in the various departments of wind turbine, when these affected by lightning. In Chapter 4, are described the basic notions that are related with the system of grounding. In Chapter 5, are described the existing models for the study of transient behaviour of systems of grounding. Finally, it is given an entry to the simulation program ATP - EMTP, and the modelling of transient situations of these systems. Keywords: Wind turbine, lightning protection, lightning strike

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΚΑΤΑΡΚΤΙΚΑ (Εισαγωγή, Περίληψη, Περιεχόµενα) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ 1.1 Μικρή ιστορική αναδροµή Εισαγωγή στην έννοια του κεραυνού-ορισµός Ηλεκτρική κατάσταση της Γης Ηλεκτρική συµπεριφορά νέφους Μηχανισµοί διαχωρισµού ηλεκτρικών φορτίων εντός των νεφών Κατηγορίες κεραυνικών εκκενώσεων Φάσεις κεραυνικών εκκενώσεων Πολικότητα κεραυνικών εκκενώσεων Παράγοντες που σχετίζονται µε τον κεραυνό Παράµετροι του κεραυνού Κεραυνική στάθµη και ισοκεραυνικές καµπύλες Επιπτώσεις από τα κεραυνικά πλήγµατα Eπιπτώσεις κεραυνικού πλήγµατος στην ανθρώπινη ζωή Επιπτώσεις κεραυνικού πλήγµατος σε κατασκευή. 30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ 2.1 Γενικά για τις ΑΠΕ Αιολική Ενέργεια Ανεµογεννήτρια-Γενική λειτουργία οµή της ανεµογεννήτριας Τύποι ανεµογεννητριών οµικά στοιχεία ανεµογεννήτριας Χαρακτηριστικά ανεµογεννήτριας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΚΕΡΑΥΝΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ΣΕ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ 3.1 Εισαγωγή Επιπτώσεις στα πτερύγια Επιπτώσεις στα έδρανα κύλισης Επιπτώσεις στο ανεµόµετρο Επιπτώσεις στο σύστηµα της γεννήτριας Επιπτώσεις στο ηλεκτρονικό σύστηµα Αγώγιµη ζεύξη Σύζευξη ηλεκτρικού πεδίου Σύζευξη µαγνητικού πεδίου Επαγόµενες τάσεις Υπερτάσεις 47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ 4.1 Εισαγωγή Αξιολόγηση κινδύνου

9 4.3 Συχνότητα πληγµάτων από κεραυνό Αξιολόγηση ΣΑΠ Αντικεραυνική προστασία πτερυγίων Γείωση Ειδική αντίσταση εδάφους Γείωση ανεµογεννήτριας.57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΕΙΩΣΗΣ 5.1 Εισαγωγή Κυκλωµατική προσέγγιση Προσέγγιση ηλεκτροµαγνητικού πεδίου Προσέγγιση γραµµής µεταφοράς Υβριδική προσέγγιση Το πρόγραµµα ATP-EMTP Ανάλυση στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας..73 Βιβλιογραφία

10 1.1 ΜΙΚΡΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο Τα φαινόµενα ατµοσφαιρικού ηλεκτρισµού στα οποία κατατάσσεται ο κεραυνός προκαλούσαν το φόβο, το δέος, αλλά και το σεβασµό των ανθρώπων απέναντι στις δυνάµεις της φύσης, ήδη από τα αρχαία χρόνια. Συχνά µάλιστα και επειδή οι άνθρωποι δεν µπορούσαν να εξηγήσουν τα αίτια δηµιουργίας του φαινοµένου κατέφευγαν σε µεταφυσικές ερµηνείες σχετικά µε την εκδήλωσή του. Είναι άλλωστε γνωστός ο µύθος του ία από την Αρχαία Ελλάδα που ως πατέρας των θεών είχε το αποκλειστικό προνόµιο να εξαπολύει τους κεραυνούς σαν δείγµα της οργής του ή ως σηµάδι και οιωνό για τα ανθρώπινα πεπραγµένα. Ο κεραυνός για τους αρχαίους Έλληνες ήταν το όπλο και η υπογραφή ενός θεού. Όµοιοι µύθοι που εδράζονται πάνω σε µεταφυσικές εξηγήσεις για το φαινόµενο του κεραυνού απαντώνται στη λαϊκή παράδοση αρκετών αρχαίων πολιτισµών σε ολόκληρο τον κόσµο. Το σηµείο ωστόσο το οποίο έθεσε τα θεµέλια για την κατανόηση του φαινοµένου πάνω σε επιστηµονική βάση τοποθετείται χρονολογικά στα µέσα του 18 ου αιώνα µετά από µια σειρά πειραµάτων που διεκπεραίωσε ο Βενιαµίν Φραγκλίνος (αλλά και ο Thomas-François Dalibard) και απέδειξαν ότι ο κεραυνός είναι µια ηλεκτρική εκκένωση. Εικ. 1.1 Ο επιστήµονας εφευρέτης και πολιτικός (µεταξύ άλλων) Βενιαµίν Φραγκλίνος. [ 1] Τότε ξεκίνησε η έρευνα για την ουσιαστικότερη κατανόηση του φαινοµένου και κατ επέκταση για την δυνατότητα προστασίας (ανθρώπων και εγκαταστάσεων) από αυτό

11 Καθώς η έρευνα συνεχίστηκε βγήκαν προς τα τέλη του 19 ου αιώνα και τα πρώτα σηµαντικά συµπεράσµατα για την ανάλυση του φαινοµένου µε τη χρήση φωτογραφικών και φασµατοσκοπικών µεθόδων που ήταν τότε διαθέσιµες. Την τελευταία δεκαετία αυτού του αιώνα ο Γερµανός φυσικός F.C.A. Pockels κατόρθωσε µε βάση την ανάλυση του επαγόµενου µαγνητικού πεδίου να διεξάγει µια σειρά εκτιµήσεων και υπολογισµών του κεραυνικού ρεύµατος. Στη νεότερη εποχή και συγκεκριµένα το 1920 ο Σκοτσέζος φυσικός και µετεωρολόγος C.T.R. Wilson διατύπωσε την πρώτη ολοκληρωµένη θεωρία για τον ατµοσφαιρικό ηλεκτρισµό. Ο Wilson διεξήγε εκ του µακρόθεν παρατηρήσεις και µετρήσεις των ηλεκτρικών πεδίων των καταιγίδων και υπήρξε ο πρώτος που έφτασε στο συµπέρασµα για τη δοµή των φορτίων µέσα στα νέφη των καταιγίδων καθώς και για το φορτίο που απελευθερώνεται σε µια αστραπή. Σύµφωνα µε τη θεωρία του η Γη και η ηλεκτρόσφαιρα θεωρούνται ως οι δύο οπλισµοί ενός σφαιρικού πυκνωτή που χωρίζονται από την ατµόσφαιρα. Εικ.1.2 Ο βραβευµένος µε Νόµπελ Φυσικής Charles Thomson Rees Wilson. [2] Εν συνεχεία και καθώς τα αστικά περιβάλλοντα εξαπλώνονταν µε ταχείς ρυθµούς και µε αρωγό τις νεότερες τεχνολογικές κατακτήσεις το επιστηµονικό ενδιαφέρον εστίασε (και) στο ζήτηµα της αντικεραυνικής προστασίας. Σε αυτό τον τοµέα έχει σηµειωθεί µέχρι σήµερα µεγάλη πρόοδος αν και δεν είµαστε ακόµα σε θέση να αποτρέψουµε τη δηµιουργία κεραυνού ή να εµποδίσουµε τον κεραυνό να πλήξει µία συγκεκριµένη εγκατάσταση. Έτσι ο σκοπός ενός Συστήµατος Αντικεραυνικής Προστασίας (Σ.Α. Π. από δω και στο εξής) είναι να διοχετεύσει το ρεύµα του (άµεσου ή έµµεσου) κεραυνικου πλήγµατος µε ασφαλή τρόπο στη γη και να περιορίζει της ζηµίες που αυτό µπορεί να επιφέρει

12 1.2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ-ΟΡΙΣΜΟΣ Με την σηµερινή πρόοδο της τεχνολογίας όπου είναι δυνατή η τεχνητή πρόκληση κεραυνών για ερευνητικούς σκοπούς έχουν γίνει άλµατα σε ότι αφορά την κατανόηση του µηχανισµού δηµιουργίας του. Το φαινόµενο δεν αποτελεί το γρίφο που αποτελούσε στο παρελθόν χωρίς αυτό να σηµαίνει ότι έχουν αποσαφηνιστεί µέχρι σήµερα όλες του οι διαστάσεις. Ο κεραυνός αποτελεί ένα ατµοσφαιρικό ηλεκτρικό φαινόµενο το οποίο θα µπορούσε να οριστεί ως µια µορφή ηλεκτρικής διάσπασης που χαρακτηρίζεται από υψηλό ρεύµα και συµβαίνει σε πολύ µεγάλα διάκενα. Όταν σε µια περιοχή της ατµόσφαιρας συσσωρευτεί µεγάλο πλήθος φορτίων και επιτευχθεί µια φόρτιση αρκούντως µεγάλη τότε τα ισχυρά ηλεκτρικά πεδία που δηµιουργούνται προκαλούν την διάσπαση του αέρα και εµφανίζεται ο κεραυνός. Ο κεραυνός συνίσταται σε ένα φωτεινό (οπτικό) φαινόµενο που καλείται αστραπή και οφείλεται στην πυράκτωση των µορίων του αέρα και σε ένα καθαρά ηλεκτρικό φαινόµενο που αφορά την ροή των ηλεκτρικών φορτίων εξαιτίας της απότοµης εκτόνωσης των αερίων της περιοχής. Το φαινόµενο αυτό συνοδεύεται από τη βροντή. Το οπτικό και ακουστικό αποτέλεσµα του κεραυνού οφείλεται σε έναν συνδυασµό της δυναµικής της παλµικής κίνησης µορίων του αέρα και της αποδιοργάνωσής τους εξαιτίας ηλεκτρικών δυνάµεων. Εικ Κεραυνική εκκένωση [3]

13 1.2.1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΓΗΣ Η Γη σε ότι έχει να κάνει µε την ηλεκτρική της κατάσταση εµφανίζεται ως µόνιµα φορτισµένη µε ένα αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξεως των 5*10 C. Το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ηλεκτρικό πεδίο του οποίου η κατεύθυνση των δυναµικών γραµµών εκτείνεται από την ατµόσφαιρα προς τη Γη µε ένταση περίπου 0,13 kvolt/m. Αυτές οι τιµές µειώνονται µε γοργούς ρυθµούς όσο αποµακρυνόµαστε από το έδαφος. Η ανάπτυξη αυτού του πεδίου σε συνθήκες καλοκαιρίας αποδίδεται στην ύπαρξη θετικών φορτίων που βρίσκονται σε ένα στρώµα της ιονόσφαιρας γνωστό ως στρώµα (ή ζώνη) Heaviside. Ένεκα αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται υπό τάση 300 kv σε σύγκριση µε τα ανώτερα τµήµατα της ατµόσφαιρας. Τα ιονισµένα σωµατίδια που φέρουν είτε θετικό είτε αρνητικό φορτίο και παράγονται από κοσµική ακτινοβολία γήινη ραδιενέργεια ή και από άλλες αιτίες προσδίδουν στον αέρα µια ορισµένη αγωγιµότητα. Λόγω αυτής της αγωγιµότητας και του ηλεκτρικού πεδίου της ατµόσφαιρας θετικά και αρνητικά ιόντα κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό από µια οπτική θα έπρεπε να οδηγεί σε εξοµάλυνση του γήινου πεδίου και κατ επέκταση σε εκφόρτιση της γης. Κάτι τέτοιο βεβαίως δεν συµβαίνει διότι η Γη δέχεται ταυτόχρονα ένα αρνητικό φορτίο ισοδύναµο µε αυτό του ρεύµατος των θετικών ιόντων. Ο κύριος τροφοδότης αυτού του αρνητικού φορτίου εκτιµάται ότι είναι τα ηλεκτρισµένα νέφη αλλά και οι κεραυνοί ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΝΕΦΟΥΣ Η ηλεκτρική συµπεριφορά ενός νέφους µπορεί συχνά να αναπαρασταθεί από ένα ηλεκτρικό δίπολο µε θετικό φορτίο στην κορυφή του και αρνητικό στην πλευρά προς τη γη. Αυτή η εικόνα, είναι µεν συνηθισµένη και συχνή κατά την παρατήρηση της συµπεριφοράς των νεφών, όµως δεν αποτελεί γενικό κανόνα Σε ότι αφορά τον τρόπο συγκέντρωσης και διαχωρισµού του ηλεκτρικού φορτίου στα νέφη, έχουν προταθεί διάφορες θεωρίες, ωστόσο καµία από αυτές δεν είναι καθολικά αποδεκτή. Σε γενικές γραµµές οι διατυπωµένες θεωρίες χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες. Σε εκείνες που βασίζονται στη φόρτιση σταγονιδίων του σύννεφου, που συµβαίνει µόλις ξεκινήσει η πτώση τους προς τη γη και σε εκείνες που βασίζονται στη µεταφορά φορτίων σε ανώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας, µε ανοδικά ρεύµατα που οφείλονται σε διαφορές της θερµοκρασίας. Επιπλέον, εκτιµάται ότι υπάρχουν τρία φαινόµενα που ενδέχεται να συµβάλλουν στο διαχωρισµό των φορτίων εντός των νεφών, όπως το φαινόµενο της διασποράς, το φαινόµενο της ισχυρής ψύξεως και το φαινόµενο της διαρρήξεως

14 Το ηλεκτρικό πεδίο ενός νέφους, που παρουσιάζει την ηλεκτρική συµπεριφορά που περιγράφηκε νωρίτερα, επιδρά και διαταράσσει το οµαλό πεδίο καλοκαιρίας προκαλώντας την αναστροφή του. Αυτό οδηγεί στην αναστροφή της φοράς του ρεύµατος καλοκαιρίας που ρέει προς τη γη. Η σταθερά χρόνου αύξησης του ηλεκτρικού πεδίου ενός νέφους είναι περίπου στα 2 λεπτά, που σηµαίνει ότι το σύννεφο περνά στην ηλεκτρισµένη από την ουδέτερη κατάσταση του, σε µικρό χρονικό διάστηµα της τάξεως των λίγων λεπτών της ώρας. Με το σχηµατισµό ενός ηλεκτρισµένου σύννεφου το ηλεκτρικό πεδίο καλοκαιρίας, αφού προηγουµένως αναστραφεί, αποκτά τιµές έως και 10 kvolt/m µε την κατεύθυνση της κακοκαιρίας (δηλαδή από τη γη προς την ατµόσφαιρα). Το πεδίο αυτό διαταράσσεται στιγµιαία µε κάθε κεραυνική εκκένωση ή εσωτερική του νέφους, αν και στη συνέχεια αποκαθίσταται και πάλι στην πρότερή του τιµή ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΙΑΧΩΡΙΣΜΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ ΕΝΤΟΣ ΤΩΝ ΝΕΦΩΝ Για πολλά χρόνια έχουν γίνει προσπάθειες ώστε να διατυπωθεί µια καθολικά αποδεκτή θεωρία για τους µηχανισµούς που οδηγούν σε διαχωρισµό των ηλεκτρικών φορτίων εντός των νεφών. Οι διαδικασίες που λαµβάνουν χώρα εντός των νεφών είναι σύνθετες και πολύπλοκες ενώ εκτιµάται ότι τρία φαινόµενα που θα παρατεθούν παρακάτω είναι δυνατόν να συνεισφέρουν στο διαχωρισµό των φορτίων. Φαινόµενο της ιασποράς: Οι ποσότητες νερού που βρίσκονται στο εσωτερικό των νεφών µε την επίδραση των αναταράξεων που προκαλούνται από ανοδικά ρεύµατα αέρος µε ταχύτητες της τάξεως των m/s δίνουν σταγονίδια που οδηγούνται προς τα επάνω τµήµατα του νέφους κατά τον ίδιο τρόπο όπου τα σταγονίδια νερού καταλαµβάνουν το χώρο κοντά στους καταρράκτες. Με βάση αυτή τη θεώρηση το νέφος συµπεριφέρεται σαν ηλεκτρικό δίπολο µε τα µεγαλύτερα σταγονίδια που κατακάθονται στην κάτω περιοχή να φορτίζονται θετικά και τα µικρότερα που ανεβαίνουν στην επάνω περιοχή να αποκτούν αρνητικό φορτίο. Ο πρώτος που παρατήρησε και κατέγραψε αυτό το φαινόµενο ήταν ο Lenard το Εικ. 1.4 ιαχωρισµός φορτίων εντός του νέφους µε βάση το φαινόµενο της διασποράς. [4]

15 Ο προτεινόµενος µηχανισµός µε βάση το φαινόµενο της διασποράς είναι αµφίβολο κατά πόσο µπορεί να ερµηνεύσει το διαχωρισµό των φορτίων εντός των νεφών. Αυτό συµβαίνει αφενός διότι το 80% τουλάχιστον των κεραυνών που κατευθύνονται προς τη γη προέρχονται από σύννεφα των οποίων το αρνητικό φορτίο βρίσκεται συσσωρευµένο στην κάτω περιοχή τους και αφετέρου διότι µια διασπορά των σταγονιδίων του νερού προϋποθέτει θερµοκρασίες µεγαλύτερες από 0 βαθµούς Κελσίου. Έτσι το φαινόµενο της διασποράς ενδέχεται να µην µπορεί να ερµηνεύσει ικανοποιητικά το διαχωρισµό των ηλεκτρικών φορτίων ούτε σε ένα ποσοστό της τάξης του 10% επί του συνόλου. Το φαινόµενο αυτό µπορεί να συµβεί µόνο κατά τις συγκρούσεις δύο σωµατιδίων και να λειτουργεί στο περιθώριο ενώ άλλες δυνατότερες διαδικασίες να είναι εκείνες που αναλαµβάνουν τον συντεταγµένο διαχωρισµό των αντίθετων φορτίων µέσα στο νέφος. Φαινόµενο ισχυρής ψύξεως: Για την κατανόηση αυτού του φαινοµένου περιγράφεται το πειραµατικό ανάλογο: Σε µια πλάκα χαλκού, η οποία βρίσκεται σε κατάσταση ισχυρής ψύξης-µε θερµοκρασία µεταξύ βαθµών Κελσίου C- και µονωµένη ηλεκτρικά έναντι του περιβάλλοντος (για έλεγχο του ηλεκτρικού φορτίου που θα αναπτυχθεί πάνω της), πέφτουν σταγόνες νερού. Λόγω της εξαιρετικά χαµηλής θερµοκρασίας, της αγώγιµης πλάκας χαλκού, µέρος του νερού στερεοποιείται άµεσα, δηµιουργώντας κρυστάλλους πάγου πάνω στη πλάκα. Το υπόλοιπο µέρος του νερού, εκτινάσσεται προς τα πάνω διατηρώντας την υγρή µορφή του. Πειραµατικά διαπιστώνεται ότι τα προς τα πάνω εκτινασσόµενα σταγονίδια νερού παρουσιάζουν θετικό φορτίο, ενώ η πλάκα χαλκού εµφανίζει αρνητικό φορτίο. Στην περίπτωση του διαχωρισµού των ηλεκτρικών φορτίων στο εσωτερικό του σύννεφου, δεχόµαστε πως το ρόλο της "ψυχρής" πλάκας αναλαµβάνουν κρύσταλλοι πάγου, οι οποίοι κατευθυνόµενοι λόγω του βάρους τους προς τα κάτω, µεταφέρουν προς την αντίστοιχη περιοχή του νέφους το αρνητικό τους φορτίο, ενώ τα εκτινασσόµενα προς τα πάνω σταγονίδια συµπαρασύρουν το θετικό τους φορτίο. Με αυτό τον τρόπο εξηγείται, ενδεχοµένως, η δηµιουργία ηλεκτρικού διπόλου (στο σύννεφο), που παρουσιάζει τα αρνητικά φορτία στο κάτω µέρος του. Η παραδοχή του αναφερθέντος µηχανισµού θα µπορούσε να εξηγήσει το διαχωρισµό των ηλεκτρικών φορτίων σε εκείνα τα σύννεφα από τα οποία προέρχεται το 90% των κεραυνών που πλήττουν την γη. Ωστόσο, το ασθενές σηµείο της παραδοχής του µηχανισµού αυτού, είναι το γεγονός ότι κατά το πείραµα µε την πλάκα χαλκού εµφανίζονται µη αµελητέα ηλεκτρικά φορτία πάνω σε αυτήν µόνο όταν οι σταγόνες ύδατος περιλαµβάνουν ίχνη προσµίξεων, όπως ΝΗ4ΟΗ, (Βλέπε Εικ. 1.5)

16 Εικ ιαχωρισµός φορτίων εντός του νέφους µε βάση το φαινόµενο ισχυρής ψύξεως [4] Φαινόµενο διαρρήξεως: Για την κατανόηση του µηχανισµού διαχωρισµού ηλεκτρικών φορτίων µε βάση το φαινόµενο της διαρρήξεως θεωρούµε ένα κρύσταλλο πάγου του οποίου το εσωτερικό-δηλαδή ο πυρήνας- διατηρείται ακόµη σε υγρή κατάσταση Λόγω της πτωτικής µεταβολής της θερµοκρασίας από τον πυρήνα προς το περίβληµα του κρυστάλλου, τα ιόντα H+ (τα οποία είναι τάξεις µεγέθους πιο ευκίνητα από τα ιόντα OH-) κινούνται προς το περίβληµα, στο οποίο και προσδίδουν θετικό φορτίο. Τα σχετικά δυσκίνητα ιόντα OH- µένουν στον πυρήνα του κρυστάλλου, στον οποίο και προσδίδουν αρνητικό φορτίο. Με τη βαθµιαία ψύξη του πυρήνα προκαλείται αύξηση του όγκου του, µε συνέπεια τη διάρρηξη του εξωτερικού µέρους (περιβλήµατος), οπότε οι βαρείς πυρήνες OHπέφτουν προς τα κάτω, ενώ τα τεµαχίδια στα οποία διαρρηγνύεται η θετικά φορτισµένη επιφάνεια του κρυστάλλου λόγω των αναταράξεων που επικρατούν στο εσωτερικό του νέφους, µεταφέρονται προς τα ανώτερα στρώµατά του. Με αυτό τον τρόπο µπορεί να εξηγηθεί η δηµιουργία ηλεκτρικού διπόλου στο σύννεφο, µε τα θετικά φορτία στην επάνω περιοχή και αρνητικά φορτία στην κάτω περιοχή. (Εικ. 1.6) Εικ ιαχωρισµός φορτίων εντός του νέφους µε βάση το φαινόµενο της διαρρήξεως. [4] Με βάση τα όσα τονίστηκαν παραπάνω αλλά και συνοψίζοντας τα επιβεβαιωµένα µε πειραµατικό τρόπο χαρακτηριστικά ενός ηλεκτρισµένου νέφους είναι δυνατόν να εξάγουµε τις εξής παρατηρήσεις

17 Α) Ένα ηλεκτρισµένο σύννεφο περιέχει ίσες ποσότητες αρνητικών και θετικών ηλεκτρικών φορτίων που καταλαµβάνουν διακεκριµένες περιοχές του. Εποµένως η φόρτιση του νέφους προκύπτει από τον διαχωρισµό αυτών των αρνητικών και θετικών φορτίων. Στις περισσότερες των περιπτώσεων το αρνητικό φορτίο εµφανίζεται στην κάτω περιοχή του νέφους και έχει τιµή που κυµαίνεται από µερικές δεκάδες µέχρι µερικές εκατοντάδες Cb. Αντίθετα το θετικό φορτίο συσσωρεύεται στο επάνω τµήµα του νέφους και έτσι στον χώρο µεταξύ του νέφους και της γης αναπτύσσεται ένα ηλεκτρικό πεδίο του οποίου οι δυναµικές γραµµές καταλήγουν στην επιφάνεια της γης πάνω σε επαγόµενα φορτία αντίθετης πολικότητας από αυτή που έχουν τα φορτία του νέφους (Εικ ) Εικ ιαχωρισµός φορτίου εντός του νέφους και ηλεκτρικό πεδίο που δηµιουργείται ανάµεσα στο νέφος και τη γη. [4] Β) Η διασπορά και η πυκνότητα των φορτίων δηµιουργούν µια δυναµική και µεταβαλλόµενη εικόνα µέσα στο νέφος γεγονός που µε τη σειρά του εµποδίζει τη συστηµατική ταξινόµηση των ηλεκτρικών καταστάσεων που µπορούν να ενυπάρχουν µέσα σε ένα ηλεκτρισµένο σύννεφο. C) Η διαδικασία του διαχωρισµού των φορτίων µέσα στο νέφος ολοκληρώνεται σε σχετικά µικρό χρονικό διάστηµα που κυµαίνεται από λίγα λεπτά ως µισή ώρα περίπου

18 1.3 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ Σε ότι αφορά τις ατµοσφαιρικές εκκενώσεις αυτές µπορούν να διακριθούν σε τρεις κύριες κατηγορίες. Α) Εκκενώσεις µεταξύ νέφους και γης ή το αντίστροφο Β) Εκκενώσεις µέσα στα νέφη και C) Εκκενώσεις ανάµεσα στα νέφη. Στην Εικόνα 1.9 διακρίνονται τα τρία αυτά είδη των ατµοσφαιρικών εκκενώσεων ενώ στη συνέχεια περιγράφεται η κάθε περίπτωση ξεχωριστά. Εικ Κατηγορίες των εκκενώσεων και κατανοµή του φορτίου των νεφών κατά τη διάρκεια µιας καταιγίδας. [5][6] Α) Εκκενώσεις µεταξύ νέφους και γης: Οι εκκενώσεις αυτές παρατηρούνται όταν το ηλεκτρικό πεδίο πιάνει την κρίσιµη τιµή πλησίον του νέφους οπότε έχουµε κατερχόµενη εκκένωση ή όταν πιάνει την κρίσιµη τιµή κοντά στην γη οπότε έχουµε ανερχόµενη εκκένωση. Ως πολικότητα της εκκένωσης µεταξύ σύννεφου και γης λαµβάνεται η πολικότητα

19 του φορτίου που έχει συσσωρευτεί στην κάτω περιοχή του νέφους που την προκάλεσε. Θα πρέπει να τονιστεί σε αυτό το σηµείο ότι οι κεραυνοί µεταξύ των νεφών και της γης δεν είναι ο πιο συνηθισµένος τύπος εκκενώσεων σε ότι αφορά τα συνολικά ποσοστά. Εν τούτοις είναι ο τύπος εκείνος που κατανοείται καλύτερα τη σήµερον ηµέρα. Επιπλέον οι εκκενώσεις µεταξύ των νεφών και της γης είναι ο πιο επικίνδυνος και καταστροφικός τύπος εκκενώσεων. Οι περισσότερες από αυτού του τύπου τις εκκενώσεις εκδηλώνονται κοντά στην αρνητική περιοχή του νέφους αν και µια σηµαντική µειονότητά τους µεταφέρει θετικό φορτίο στη γη. Αυτοί οι θετικοί κεραυνοί συνήθως εκδηλώνονται κατά τη διάρκεια µιας καταιγίδας και αποτελούνται από ένα µόνο πλήγµα. Τέλος οι θετικοί κεραυνοί είναι περισσότερο γνωστοί σαν ποσοστό προσκρούσεων στο έδαφος κατά τη διάρκεια των µηνών του χειµώνα. Εικ Είδη κεραυνών ανάµεσα σε σύννεφο και τη γη. [7] Β) Κεραυνοί µέσα στα σύννεφα: Οι εκκενώσεις µέσα στα σύννεφα είναι ο πιο συνηθισµένος τύπος εκφορτίσεων. Σε αυτή την περίπτωση η εκκένωση λαµβάνει χώρα ανάµεσα στο ανώτερο θετικό και το κατώτερο αρνητικό κέντρο του χωρικού φορτίου. Η διαδικασία λαµβάνει χώρα µέσα στο σύννεφο ενώ έξω από το σύννεφο φαίνεται οπτικά σαν µια διαχέουσα λαµπρότητα που τρεµοσβήνει

20 C) Εκκενώσεις ανάµεσα στα σύννεφα: Οι κεραυνοί αυτού του τύπου εκδηλώνονται σε ύψος µεγαλύτερο του ενός χιλιοµέτρου και µικρότερο των 12 χιλιοµέτρων. ιαθέτουν επίσης µεγάλο µήκος κεραυνικού τόξου. 1.4 ΦΑΣΕΙΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ Κατά τη διάρκεια µιας καταιγίδας διακρίνουµε τις ακόλουθες τρεις φάσεις κεραυνικών εκκενώσεων: Α) Προεκκένωση Β)Εκκένωση αντίθετης φοράς και C) Κύρια εκκένωση. (Εικ. 1.12) Εικ Οι φάσεις των κεραυνικών εκκενώσεων. [8] Α) Προεκκένωση Το ηλεκτρισµένο νέφος εµφανίζεται λίγο πριν από µια κεραυνική εκκένωση µακροσκοπικά, σαν ένα ηλεκτρικό δίπολο, εξαιτίας του οποίου επάγονται στο έδαφος πεδία µε ένταση πάνω από 5kV/m. Στις παρυφές περιοχών του νέφους µε µεγάλη πυκνότητα φορτίου, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου µπορεί να πάρει αρκετά µεγάλες τιµές. Οι υψηλές αυτές εντάσεις, συνδυαζόµενες µε τη µικρή πυκνότητα του αέρα και µερικούς άλλους παράγοντες που προκαλούν πρόσθετη τοπική ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου, µπορούν να προκαλέσουν έναρξη ιονισµού των µορίων του αέρα από κρούσεις ηλεκτρονίων. Ο ιονισµός αυτός αποτελεί το πρώτο βήµα για την έναρξη µιας ηλεκτρικής εκκένωσης. Το επόµενο βήµα είναι ο σχηµατισµός ενός οχετού, ο οποίος ακολουθεί τις δυναµικές γραµµές του ηλεκτρικού πεδίου. Ο οχετός ακολουθεί την κατεύθυνση που θα προκαλέσει την ηλεκτρική σύνδεση και αλληλεξουδετέρωση των δύο ετερόσηµων φορτίων, η οποία συνοδεύεται από έντονη λάµψη (αστραπή) και δυνατό θόρυβο (βροντή)

21 .Οι συνέπειες στο έδαφος εµφανίζονται σαν µια παροδική διαταραχή του ηλεκτροµαγνητικού πεδίου, η οποία πιθανόν να γίνει αισθητή σε δέκτες της τηλεόρασης ή του ραδιοφώνου κτλ. Αν οι γραµµές µεγίστης πεδιακής έντασης κατευθύνονται προς το έδαφος, ο οχετός θα κατευθυνθεί προς αυτό. Η προεκκένωση ξεκινάει από κάποια περιοχή του σύννεφου όπου το ηλεκτρικό πεδίο θα αποκτήσει πολύ µεγάλες τιµές, της τάξεως των µερικών εκατοντάδων V/m. ηµιουργείται έτσι ένας αγώγιµος δρόµος (οχετός), ο οποίος τροφοδοτείται συνέχεια µε φορείς ηλεκτρικού φορτίου από το σύννεφο. Σαν συνέπεια αυτού, έχουµε τη δηµιουργία υψηλού ηλεκτρικού πεδίου που σε µια διαδικασία ανακύκλωσης συµβάλλει στην προώθησή του προς τη γη. Έτσι, η προεκκένωση, αφού ξεκινήσει, αναπτύσσεται από µόνη της στο χώρο του ηλεκτρικού πεδίου, εφόσον τροφοδοτείται από την πλευρά του σύννεφου µε µεγάλη ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου. Υπάρχει η πιθανότητα να δηµιουργηθούν και διακλαδώσεις του αγώγιµου οχετού, οι οποίες, όµως, δεν απολήγουν σε γεφύρωσή του προς τη γη, λόγω της µη διαθεσιµότητας µεγάλου αριθµού ηλεκτρικών φορέων. Β) Εκκένωση αντίθετης φοράς Η διαµήκης πτώση τάσεως κατά µήκος του οχετού προεκκένωσης διαφέρει στις διάφορες θέσεις του. Ο οχετός προεκκένωσης εµφανίζεται σαν µια µεταλλική προεξοχή που επεκτείνεται από το σύννεφο προς το έδαφος. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τον οχετό προεκκένωσης και ιδίως στο άκρο του προς το έδαφος, είναι πολύ µεγάλη και υπερβαίνει κατά πολύ την πεδιακή ένταση που απαιτείται για τον ιονισµό του αέρα από κρούσεις (γύρω στα 30kV/cm). Για αυτό το λόγο, ο οχετός περιβάλλεται διαρκώς από ένα µανδύα Corona (στεµµατοειδούς εκκενώσεως), που εκτείνεται µερικά µέτρα γύρω από αυτόν. Το πάχος του µανδύα αυτού είναι µεγαλύτερο στο προς το έδαφος άκρο του οχετού και αυξάνει όσο η κεφαλή του οχετού πλησιάζει προς το έδαφος. Καθώς τώρα ο οχετός κατέρχεται στη γη, αυξάνει το ηλεκτρικό πεδίο της γης. Έτσι, είναι δυνατό να δηµιουργήσει ένα φαινόµενο τύπου Corona, το οποίο καταλήγει σε µια ανερχόµενη εκκένωση, η οποία τείνει να συναντήσει τον κατερχόµενο οχετό, οπότε και έχουµε πλήρη γεφύρωση του διακένου αέρα, δηλαδή κεραυνικό πλήγµα. Η απόσταση που θα πρέπει να φτάσει η κεφαλή του κατερχόµενου οχετού για να ξεκινήσει από τη γη η εκκένωση αντίθετης φοράς χαρακτηρίζεται σαν απόσταση εναύσεως. C) Κύρια εκκένωση Στην τελευταία αυτή φάση, η οποία εξελίσσεται µε ιδιαίτερα µεγάλη ταχύτητα, έχουµε την γεφύρωση της απόστασης µεταξύ νέφους και γης. Ήδη προϋπάρχει αγώγιµος οχετός προεκκένωσης που παίρνει τη µορφή ενός πλήρους οχετού εκκένωσης. Το µήκος του κεραυνικού οχετού εξαρτάται από το ύψος που βρίσκεται το αντίστοιχο

22 καταιγιδοφόρο νέφος, ενώ όταν πρόκειται για κεραυνό που δηµιουργείται µεταξύ δύο νεφών, εξαρτάται από την απόσταση µεταξύ των αντιστοίχων νεφών. Σε περίπτωση που έχουµε κεραυνοπληξία προς γη, το µήκος των κεραυνικών οχετών είναι της τάξεως λίγων χιλιοµέτρων το πολύ. Η διάµετρος ενός οχετού εκκενώσεως είναι της τάξης των µερικών εκατοστών, γιατί από µόνο του το πλάσµα, λόγω του µαγνητικού πεδίου, αποσυµπιέζεται. Η µεγάλη λαµπρότητα του ηλεκτρικού τόξου εξηγεί και το γεγονός ότι ο κεραυνικός οχετός συχνά οδηγεί σε παροδικές θαµβώσεις. 1.5 ΠΟΛΙΚΟΤΗΤΑ ΚΕΡΑΥΝΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ Όπως έχει αναφερθεί σαν πολικότητα της εκκένωσης λαµβάνεται συνήθως η πολικότητα του φορτίου που συσσωρεύεται στην κάτω περιοχή του νέφους. Έτσι ανάλογα µε την πολικότητα οι εκκενώσεις µπορούν να χαρακτηριστούν σαν θετικές ή αρνητικές. Το ποσοστό θετικών και αρνητικών κεραυνών εξαρτάται από την γεωγραφική περιοχή. Στον ελλαδικό χώρο, όπου το κλίµα είναι εύκρατο, το 80 έως 90% των ατµοσφαιρικών εκκενώσεων είναι αρνητικές. Μια άλλη διάκριση των ατµοσφαιρικών εκκενώσεων γίνεται ανάλογα µε την πορεία της προεκκενώσεως. Οπότε έχουµε εκκενώσεις: Ανερχόµενες: όταν η προεκκένωση αρχίζει από το έδαφος και κατευθύνεται προς το νέφος Κατερχόµενες: όταν η προεκκένωση αρχίζει από το νέφος. Σε µέρη επίπεδα, χωρίς ιδιαίτερες προεξοχές, πλειοψηφούν οι κατερχόµενες εκκενώσεις. Αντίθετα ανερχόµενες εκκενώσεις δηµιουργούνται εκεί που υπάρχουν υψηλά και αιχµηρά αντικείµενα (π.χ. ένας πυλώνας στην κορυφή ενός βουνού) Με βάση τους παραπάνω ορισµούς διακρίνονται τέσσερις υπο-κατηγορίες εκκενώσεων µεταξύ νεφών και γης. a) Κατερχόµενη αρνητική εκκένωση b) Κατερχόµενη θετική εκκένωση c) Ανερχόµενη αρνητική εκκένωση και d) Ανερχόµενη θετική εκκένωση

23 1.6 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΣΧΕΤΙΖΟΝΤΑΙ ΜΕ ΤΟΝ ΚΕΡΑΥΝΟ ιάφοροι παράγοντες όπως κλιµατικοί εποχικοί καθώς και η µορφολογία του εδάφους επηρεάζουν την εκδήλωση ενός κεραυνού και την έντασή του. Για παράδειγµα σε µια περιοχή µε εύκρατο κλίµα τα χαρακτηριστικά του κεραυνού επηρεάζονται από την ορογραφική κατάσταση της περιοχής. Στις ορεινές περιοχές, η ένταση του ρεύµατος του κεραυνού, όπως και το σχετικό φορτίο, είναι µικρά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η µικρή απόσταση µεταξύ της γης και του νέφους προκαλεί εκκενώσεις στη γη πριν ολοκληρωθεί η διαδικασία φορτίσεως του νέφους και στο ότι το µικρό σχετικά µήκος του αγωγού του κεραυνού έχει σαν επακόλουθο τη συσσώρευση ενός µικρού µόνο φορτίου κατά µήκος αυτού. Ο αριθµός των εκκενώσεων στις ορεινές περιοχές είναι πάντοτε µεγαλύτερος από εκείνο στις πεδινές. Στις πεδινές περιοχές, όπου η απόσταση νέφους - γης είναι µεγαλύτερη σηµειώνονται λιγότερες εκκενώσεις, αλλά µε υψηλή ένταση ρεύµατος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σχετικά σπάνια το ηλεκτρικό πεδίο είναι τέτοιο, ώστε να επιτρέπει κεραυνό νέφους - γης. Η µεγάλη ένταση ρεύµατος οφείλεται στην παρουσία νεφών πολύ φορτισµένων και οχετών εκκενώσεως µεγάλου µήκους. Σηµαντικό ρόλο στη δηµιουργία κεραυνικών εκκενώσεων παίζει και η εποχή. Το καλοκαίρι τα σύννεφα βρίσκονται σε σηµαντικό ύψος από το έδαφος, έτσι πολλές εκκενώσεις πραγµατοποιούνται εντός ενός νέφους ή µεταξύ νεφών. Αυτό έχει σαν συνέπεια µία απότοµη µεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του εδάφους. 1.7 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Μια κεραυνική εκκένωση χαρακτηρίζεται από δύο κατηγορίες παραµέτρων: η πρώτη κατηγορία περιλαµβάνει παραµέτρους σχετικές µε την ιδιοσυστασία της εκκένωσης, τη διάρκεια των ρευµάτων και τα διαστήµατα όπου το ρεύµα είναι µηδενικό κατά την εκδήλωση πολλαπλών εκκενώσεων. Η δεύτερη κατηγορία περιλαµβάνει παραµέτρους σχετιζόµενες µε τα κεραυνικά ρεύµατα, των οποίων η διάρκεια είναι µικρότερη από λίγα ms. Οι σηµαντικότερες παράµετροι είναι οι ακόλουθες : α) Η µέγιστη τιµή ρεύµατος Imax, η οποία προκαλεί υπερπήδηση µονωτήρων και καταστροφή των µονωτικών υλικών, εξαιτίας της ανύψωσης του δυναµικού του σηµείου του πλήγµατος. β) Η µέγιστη κλίση µετώπου του ρεύµατος ( )max, η οποία καθορίζει τις επαγόµενες τάσεις σε βρόγχους κυκλωµάτων και τάσεις που αναπτύσσονται σε λογικά κυκλώµατα ή κυκλώµατα που περιλαµβάνουν ευαίσθητα ηλεκτρικά στοιχεία του συστήµατος πλοήγησης ή τηλεπικοινωνίας αεροσκαφών

24 γ) Το ολοκλήρωµα, δηλαδή επί της ουσίας το µεταφερόµενο φορτίο, το οποίο ευθύνεται για την τοπική τήξη και τη διάτρηση µεταλλικών επιφανειών µικρού πάχους. δ) Το ολοκλήρωµα του τετραγώνου του ρεύµατος, ποσότητα ανάλογη της εκλυόµενης από το κεραυνικό πλήγµα ενέργειας, η οποία µπορεί να προκαλέσει θερµικά φαινόµενα (τήξη µετάλλων και έναυση εύφλεκτων ατµών ή αερίων). ε) Τη διάρκεια του κεραυνικού ρεύµατος. Αυτή είναι µια ενδιαφέρουσα παράµετρος καθώς όσο µεγαλώνει η διάρκεια του ρεύµατος τόσο µεγαλύτερη είναι η ενέργεια που συσσωρεύεται µέσα στην αντίσταση που διαρρέει, και κατά συνέπεια τόσο µεγαλύτερη είναι η εκλυόµενη θερµότητα, καθώς είναι ανάλογη του. Για τον λόγο αυτό κεραυνοί µε µεγάλη διάρκεια ρεύµατος, έστω και αν η µέγιστη τιµή του ρεύµατος δεν είναι υψηλή, ονοµάζονται θερµοί και διακρίνονται από τους άλλους κεραυνούς που µπορούν να αναπτύσσουν µεγάλα ρεύµατα αλλά µικρής διάρκειας. Οι θερµοί κεραυνοί είναι πιο επικίνδυνοι µόνο όταν προκύπτει ζήτηµα πυρκαγιάς ή και έκρηξης, ενώ για τα ηλεκτρικά συστήµατα περισσότερο επικίνδυνοι είναι οι κεραυνοί µε µεγάλες εντάσεις και µικρή διάρκεια. Γενικευµένη κυµατοµορφή κεραυνικού ρεύµατος [4] Γραφική αναπαράσταση παραµέτρων κεραυνού [9] Εικ

25 Κατά την σχεδίαση µιας διάταξης αντικεραυνικής προστασίας λαµβάνονται υπόψη οι παρακάτω τιµές για τις τέσσερις κεραυνικές παραµέτρους ανάλογα µε τη Στάθµη Προστασίας της κατασκευής. (Πίνακας 1.1) Πίνακας 1.1 Τιµές των διάφορων παραµέτρων του κεραυνού που αναφέρθηκαν πιο πάνω ανάλογα µε την εκάστοτε στάθµη προστασίας. [9] Στην περίπτωση άµεσου πλήγµατος κεραυνού σε κάποια εκτεθειµένη εξωτερική εγκατάσταση της κατασκευής (εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας) το δυναµικό του σηµείου πλήγµατος ως προς τη γη ή ως προς άλλη ανεξάρτητη γείωση της κατασκευής σε µία πρώτη προσέγγιση θα δίνεται από τη σχέση: di U=Imax*Re+L( ) dt 1.1 όπου Re η αντίσταση γείωσης της εγκατάστασης και L η αυτεπαγωγή που παρουσιάζει η αγώγιµη διαδροµή από το σηµείο πλήγµατος µέχρι τη γη. Τα υπόλοιπα µεγέθη έχουν εξηγηθεί νωρίτερα. 1.8 ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΣΤΑΘΜΗ ΚΑΙ ΙΣΟΚΕΡΑΥΝΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ Κεραυνική στάθµη συγκεκριµένου τόπου ονοµάζεται το πλήθος των ηµερών καταιγίδας που αντιστοιχούν στο συγκεκριµένο τόπο σε ένα χρόνο, ενώ ως µέρα καταιγίδας χαρακτηρίζεται εκείνη κατά τη διάρκεια της οποίας ακούγεται µία τουλάχιστον βροντή. Αντικεραυνική καµπύλη ονοµάζεται ο γεωµετρικός τόπος των σηµείων που έχουν την ίδια κεραυνική στάθµη. Από την κεραυνική στάθµη υπολογίζεται η πυκνότητα των κεραυνών ανά έτος και που πέφτουν στο έδαφος σε ένα συγκεκριµένο τόπο. Υπάρχουν πολλές µελέτες και µετρήσεις για την µέτρηση της πυκνότητας των κεραυνών, µε

26 σηµαντικότερη αυτή του A.J.Eriksson που πρότεινε την ακόλουθη εξίσωση: Ng=0.04*, 1.2 όπου Νg είναι η πυκνότητα των κεραυνών ανά έτος και, και Τ είναι οι ηµέρες καταιγίδας. Εικ Παγκόσµιος χάρτης συχνότητας εµφάνισης κεραυνών. Οι περιοχές µε υψηλή συχνότητα εµφάνισης κεραυνών εντοπίζονται στους τροπικούς. Αντίθετα η ελάχιστη πιθανότητα εµφάνισης βρίσκεται στην Αρκτική και την Ανταρκτική.[10] Εικ Ελληνικός χάρτης ισοκεραυνικών καµπυλών [11]

27 1.9 ΕΠΙΠΩΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΑ ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ Οι κεραυνικές εκκενώσεις είναι δυνατόν να έχουν δυσάρεστες επιπτώσεις και παρενέργειες τόσο σε υλικές εγκαταστάσεις/κατασκευές όσο και στην ίδια την ανθρώπινη ζωή. Αυτές οι επιπτώσεις µπορούν να οφείλονται τόσο σε άµεσο κεραυνικό πλήγµα όσο και σε έµµεσο. Με τον όρο άµεσο κεραυνικό πλήγµα θεωρείται η περίπτωση κατά την οποίο ο κεραυνός πλήττει κατευθείαν την κατασκευή/εγκατάσταση ή το συλλεκτήριο σύστηµα της αντικεραυνικής προστασίας της. Εικ Μια προσοµοίωση κεραυνικού πλήγµατος σε πτερύγιο ανεµογεννήτριας [12] Στο έµµεσο κεραυνικό πλήγµα ο κεραυνός πλήττει µια κοντινή περιοχή της υπό εξέτασης κατασκευής (γειτνιάζουσα περιοχή ή το έδαφος δίπλα) ή και τις εισερχόµενες παροχές υπηρεσιών κοινής ωφελείας

28 Εικ Ανεµογεννήτρια έχει παραδοθεί στις φλόγες µετά από κεραυνικό πλήγµα. [12] Σφάλματα λόγω κεραυνικών πληγμάτων [12] Σφάλµατα λόγω κεραυνικών πληγµάτων µε βάση την τοποθεσία της γεννήτριας[12] Πίνακες

29 Στους παραπάνω πίνακες Πίνακες διακρίνονται τα στατιστικά σφαλµάτων σε ανεµογεννήτριες λόγω κεραυνικών πτώσεων. Οι αριθµοί αυτοί φυσικά εξαρτώνται από µια δέσµη παραµέτρων όπως το ύψος της γεννήτριας, ο αριθµός πληγµάτων ανά χρόνο σε κάθε περιοχή, την υπάρχουσα εγκαταστηµένη αντικεραυνική προστασία κα. Σύµφωνα πάντως µε τον δεύτερο κατά σειρά πίνακα φαίνεται ότι οι εγκατεστηµένες στα όρη γεννήτριες διατρέχουν µεγαλύτερο κίνδυνο για πλήγµα από κεραυνό, συγκριτικά µε εκείνες που βρίσκονται σε παράκτιο περιβάλλον ΕΠΙΠΩΣΕΙΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ ΣΤΗΝ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ΖΩΗ Ο κεραυνός µπορεί να προκαλέσει σηµαντική βλάβη ή απώλεια της ανθρώπινης ζωής: Άµεσο πλήγµα: Σ αυτή τη περίπτωση το ανθρώπινο σώµα δέχεται απευθείας τον κεραυνό αποτελώντας την άµεση διαδροµή όδευσης της εκκένωσης προς τη γη. Αν και έχει παρατηρηθεί, θεωρείται ιδιαίτερα σπάνια περίπτωση, εφόσον η συχνότητα άµεσων κεραυνικών πληγµάτων σε έναν άνθρωπο εκτεθειµένο συνεχώς σε επίπεδη περιοχή µπορεί να υπολογιστεί περίπου ως ένα άµεσο πλήγµα κεραυνού ανά χρόνια. Άµεση επαφή: Εδώ το ανθρώπινο σώµα βρίσκεται σε επαφή µε κάποιο αντικείµενο που πλήττεται από κεραυνό. Υπερπήδηση: Το ανθρώπινο σώµα ευρισκόµενο αρκετά κοντά σε κάποιο αντικείµενο που πλήττεται από κεραυνό παροχετεύει παράλληλα τµήµα της εκκένωσης προς τη γη ως αποτέλεσµα της ηλεκτρικής διάσπασης του διακένου αέρα που παρεµβάλλεται µεταξύ τους. Βηµατική τάση: Σ αυτή τη περίπτωση το ανθρώπινο σώµα υπόκειται σε υψηλή τάση λόγω της εµφάνισης διαφοράς δυναµικού ανάµεσα στα πόδια η οποία οφείλεται στην ακτινική διάχυση του ρεύµατος του κεραυνού στο έδαφος. Το δυναµικό του εδάφους στη περιοχή πτώσης του κεραυνού φθίνει µε την απόσταση από το σηµείο πλήγµατος. Επιφανειακή διάσπαση του εδάφους: Σ αυτή τη περίπτωση το ανθρώπινο σώµα ευρισκόµενο αρκετά κοντά στο σηµείο πλήγµατος του κεραυνού αποτελεί τµήµα της διαδροµής του ηλεκτρικού τόξου της επιφανειακής διάσπασης του εδάφους. Η επιφανειακή διάσπαση του εδάφους δεν παρατηρείται σε κάθε περίπτωση που ο κεραυνός πλήττει ένα αντικείµενο ή το έδαφος. Το φαινόµενο είναι συνάρτηση των παραµέτρων του κεραυνού καθώς και της κατάστασης της επιφάνειας του εδάφους όπως η µορφολογία, η φύση, το ποσοστό υγρασίας, κ.α. Τυφλό τραύµα: Το ανθρώπινο σώµα εκτινάσσεται σε απόσταση είτε λόγω των έντονων µυϊκών συσπάσεων που προκαλούνται από τη ροή του ρεύµατος διαµέσου του είτε του κρουστικού κύµατος πίεσης που συνοδεύει την εκκένωση του κεραυνού

30 Εικ Ισοδύναµο κυκλωµατικό µοντέλο ανθρώπινου σώµατος κατά τη διάρκεια κεραυνικού πλήγµατος κατά Andrews [13] ΕΠΙΠΩΣΕΙΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ ΣΕ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Οι επιπτώσεις του πλήγµατος του κεραυνού σε µια κατασκευή οφείλεται είτε στο ίδιο το ηλεκτρικό τόξο της εκκένωσης, είτε σε δευτερογενή φαινόµενα που παρατηρούνται κατά την διάρκεια της εκκένωσης. Ανάλογα µε τα φαινόµενα και τις επιπτώσεις που παρατηρούνται οι επιδράσεις του κεραυνού σε µια κατασκευή µπορούν να χωριστούν στις εξής 3 κατηγορίες: Α) Θερµικές συνέπειες του πλήγµατος ενός κεραυνού Το ρεύµα που ρέει στον οχετό επιστροφής είναι συγκεντρωµένο, κατά το µεγαλύτερό του µέρος στον πυρήνα του οχετού αυτού, ο οποίος έχει διάµετρο ένα ή δύο εκατοστά και η θερµοκρασία του φθάνει στους Κ ή και περισσότερο. Αυτή η θερµοκρασία προκαλεί ατµοποίηση των υδρατµών που υπάρχουν, δηµιουργώντας έτσι τοπικά αραιώµατα και πυκνώµατα του αέρα, δηλαδή ένα ηχητικό κύµα, που στην αρχή βρίσκεται στην περιοχή των υπερήχων, µετά όµως καταλήγει στην βροντή. Στην µελέτη του συστήµατος προστασίας, πρέπει να εξετασθούν οι συνέπειες

31 ενός πλήγµατος στην αύξηση της θερµοκρασίας των αγωγών του συστήµατος, στον κίνδυνο να τρυπηθεί ένα λεπτό µεταλλικό φύλλο, στη συµπεριφορά των µονωτικών, κλπ. Τα θερµικά αποτελέσµατα του πλήγµατος εξαρτώνται όχι µόνο από το εύρος του ρεύµατος, αλλά και από τη διάρκεια ροής του. Β) Μηχανικές συνέπειες του πλήγµατος ενός κεραυνού Οι µηχανικές συνέπειες του πλήγµατος ενός κεραυνού είναι δύο κατηγοριών: α) αυτές που αφορούν στο κρουστικό κύµα που παράγεται από τον οχετό επιστροφής και β) αυτές που αφορούν στις δυνάµεις που αναπτύσσονται σε έναν ή περισσότερους αγωγούς, όταν διαρρέονται από το ρεύµα του κεραυνού. Όπως αναφέρθηκε η θερµοκρασία του οχετού προεκκένωσης µπορεί να ανέβει στους Κ ή περισσότερο µέσα σε λίγα µs. Αποτέλεσµα αυτού είναι ο αέρας που περιβάλλει τον οχετό να εξαπλώνεται µε εξαιρετικά µεγάλη ταχύτητα, παράγoντας έτσι ένα κύµα πίεσης το οποίο είναι αρχικά στην περιοχή των υπερήχων και µετά εξελίσσεται στη γνωστή βροντή. Αυτό το κύµα είναι επίσης υπεύθυνο για το κύµα αέρα που σηκώνει κεραµίδια οροφών, φαινόµενο που παρατηρείται µετά από ένα άµεσο πλήγµα. Είναι επίσης υπεύθυνο για τον τραυµατισµό ανθρώπων. Όσον αφορά τη δεύτερη κατηγορία συνεπειών, αυτές οφείλονται στο γεγονός ότι δύο παράλληλοι αγωγοί, οι οποίοι µοιράζονται την εκφόρτιση του ρεύµατος ενός κεραυνού, υπόκεινται σε ελκτικές δυνάµεις οι οποίες είναι ανάλογες του τετραγώνου της τιµής του ρεύµατος και αντιστρόφως ανάλογες της µεταξύ τους απόστασης. Τα στοιχεία ενός συστήµατος προστασίας δεν τοποθετούνται τόσο κοντά ώστε να υπάρχει σηµαντική επίδραση των δυνάµεων αυτών. Όµως αυτές είναι υπεύθυνες για την συγχώνευση πολύκλωνων αγωγών και για την σύνθλιψη κοίλων αγωγών. C) Ηλεκτρικές συνέπειες ενός πλήγµατος κεραυνού Μία συνέπεια ενός πλήγµατος κεραυνού είναι η εσωτερική διάσπαση που µπορεί να συµβεί µεταξύ των αγωγών του συστήµατος προστασίας και εσωτερικών αγώγιµων στοιχείων της κατασκευής, γνωστή και ως επικίνδυνος σπινθήρας ή side flash. Οι ηλεκτροµαγνητικές επιδράσεις σχετίζονται µε το µέγιστο εύρος και τη κλίση του µετώπου του ρεύµατος. Παρατηρούνται επικίνδυνες υπερτάσεις οι οποίες µπορεί να οδηγήσουν στην ηλεκτρική διάσπαση µονώσεων ως προς γη ή µεταξύ κυκλωµάτων διαφορετικής τάσης, δευτερογενείς υπερπηδήσεις µε άµεσο κίνδυνο σηµαντικής βλάβης ή απώλειας της ανθρώπινης ζωής, πυρκαγιάς ή έκρηξης καθώς και διαταραχής ή διακοπής της κανονικής λειτουργίας ηλεκτρικών εγκαταστάσεων

32 Ακόµη αναπτύσσονται ηλεκτροµαγνητικά και ηλεκτροστατικά πεδία µε επιζήµιες συνέπειες υπό την µορφή βλαβών σε ηλεκτρονικές συσκευές και διακοπών της λειτουργίας ηλεκτρονικών συστηµάτων σε εγκαταστάσεις. Επιπτώσεις σε σχέση µε τις παραµέτρους του κεραυνού [14] Πιν

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο 2.1. ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι ανανεώσιµες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) είναι µορφές ενέργειας που µπορούµε να εκµεταλλευτούµε και προέρχονται από φυσικές διαδικασίες όπως ο άνεµος, η γεωθερµία, και η κυκλοφορία του νερού. Ο όρος ανανεώσιµες χρησιµοποιείται εξαιτίας δύο ιδιαίτερων χαρακτηριστικών αυτών των µορφών ενέργειας. Το πρώτο αφορά στο γεγονός ότι η εκµετάλλευσή τους δεν απαιτεί κάποια ενεργητική παρέµβαση, όπως λόγου χάρη εξόρυξη, καύση ή άντληση, όπως συµβαίνει µε τις συµβατικές πηγές ενέργειες που χρησιµοποιούνται, αλλά απλώς εκµεταλλευόµαστε την ήδη υπάρχουσα φυσική ροή της ενέργειας. Και το δεύτερο χαρακτηριστικό σχετίζεται µε το γεγονός ότι οι ΑΠΕ είναι µορφές ενέργειας αφενός «καθαρές» και αφετέρου «φιλικές» προς το περιβάλλον. εν αποδεσµεύουν υδρογονάνθρακες, τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα, ούτε διοξείδιο του άνθρακα, όπως συµβαίνει µε τις υπόλοιπες συµβατικές πηγές ενέργειας που χρησιµοποιούνται σήµερα. Εξαιτίας αυτών τους των χαρακτηριστικών οι ΑΠΕ κερδίζουν καθηµερινά έδαφος σε σχέση µε τις συµβατικές πηγές ενέργειας και η εκµετάλλευσή τους αυξάνει σε διαπλανητική κλίµακα. Εικ. 2.1 Ανανεώσιµες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ). [10]

34 2.1.1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η αιολική ενέργεια είναι µια µορφή ενέργειας, που δηµιουργείται από την ηλιακή ακτινοβολία µε έµµεσο τρόπο. Η θέρµανση της γήινης επιφάνειας που γίνεται συνεχώς και ανοµοιόµορφα, έχει ως αποτέλεσµα την µετακίνηση µεγάλων αερίων µαζών από περιοχή σε περιοχή. Αυτή είναι η αρχή της δηµιουργίας των ανέµων. Εποµένως η αιολική ενέργεια είναι πρακτικά ανεξάντλητη και ανανεώνεται διαρκώς, γι αυτό εξάλλου και θεωρείται ως ανανεώσιµη. Η στροφή στις ΑΠΕ για την παραγωγή ενέργειας, γνώρισε εκτόξευση στα µέσα της δεκαετίας του 1970, ως αποτέλεσµα της πετρελαϊκής κρίσης που είχε τότε ξεσπάσει. Η κρίση εκείνη, έκανε ορατή την ανάγκη για όσο το δυνατόν µεγαλύτερη απεµπλοκή από τα ορυκτά καύσιµα. Από τα χρόνια εκείνης της κρίσης µέχρι και σήµερα έχει γίνει µεγάλη πρόοδος σε ότι αφορά τις ΑΠΕ και έχει αναπτυχθεί µια τάση για όσο το δυνατόν µεγαλύτερη αξιοποίηση τους στην παραγωγή ενέργειας. Σε ότι αφορά ειδικότερα την ηλεκτροπαραγωγή από αιολική ενέργεια, αυτή επιτυγχάνεται µε χρήση των ανεµογεννητριών, που είναι µηχανές οι οποίες µετατρέπουν την ενέργεια του ανέµου σε ηλεκτρική ενέργεια. Σύµφωνα µε εκτιµήσεις, αν υπήρχε η τεχνογνωσία και η κατάλληλη τεχνολογία έτσι ώστε να καταστεί εκµεταλλεύσιµο το συνολικό αιολικό δυναµικό του πλανήτη, τότε η παραγόµενη µέσα σε ένα χρόνο ενέργεια θα µπορούσε να υπερκαλύψει τις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας για το ίδιο χρονικό διάστηµα. Φυσικά, η δυνατότητα να εκµεταλλευτούµε πλήρως το αιολικό δυναµικό δεν υπάρχει, αλλά αντίθετα εκµεταλλεύσιµο είναι µονάχα ένα µικρό ποσοστό του. Για να µπορεί να θεωρηθεί το αιολικό δυναµικό µιας περιοχής ως εκµεταλλεύσιµο (δηλαδή να συµφέρει οικονοµικά η εκµετάλλευσή του), θα πρέπει στην επιφάνεια του εδάφους να πνέουν άνεµοι µέσης ετήσιας ταχύτητας πάνω από 5 µέτρα το δευτερόλεπτο και σε ύψος 10 µέτρων πάνω από το έδαφος. Οι προοπτικές πάντως για την µεγαλύτερη εκµετάλλευση της αιολικής ενέργειας είναι ευοίωνες, καθότι η τεχνολογία των ανεµογεννητριών βελτιώνεται συνέχεια και επιτρέπει την καλύτερη αξιοποίηση του αιολικού δυναµικού. Υπό αυτό το πρίσµα η αξιοποίηση της ενέργειας του ανέµου µπορεί να προσφέρει µία εξαιρετική λύση για την παραγωγή άφθονης, φθηνής, καθαρής και καλής ποιότητας ηλεκτρικής ενέργειας συµβάλλοντας στη διαχείριση του ενεργειακού προβλήµατος. 2.2 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ-ΓΕΝΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Η ανεµογεννήτρια είναι µια ηλεκτρική µηχανή η οποία µετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέµου σε ηλεκτρική ενέργεια. Καθώς ο άνεµος περνάει από τον κινητήρα της µηχανής, ένα µέρος από την κινητική του ενέργεια δεσµεύεται από τα πτερύγια και µετατρέπεται σε κινητική ενέργεια. Εν συνεχεία αυτή η ενέργεια που έχει δεσµευθεί, προωθείται µέσω ενός µηχανικού συστήµατος οδήγησης στον ρότορα

35 της γεννήτριας όπου ακολουθεί η µετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια. Η ηλεκτρική ενέργεια αµέσως µετά είτε τροφοδοτείται στο κύριο ηλεκτρικό δίκτυο(εφόσον υπάρχει µέριµνα διασύνδεσης µε αυτό),δια µέσου διακοπτικού εξοπλισµού, προστατευτικού εξοπλισµού, γραµµών µεταφοράς και µετασχηµατιστών, είτε προωθείται στους καταναλωτές για χρήση είτε ακόµα µπορεί να οδηγηθεί σε κάποιο αποθηκευτικό µέσο. Ένα αιολικό πάρκο ή σταθµός, διαθέτει επίσης και σύστηµα ελέγχου και γενικής εποπτείας, µε σκοπό να µπορεί να διαχειρίζεται περιπτώσεις µεταβολών του ανέµου και αλλαγές στη δοµή και την κατάσταση του κυρίου δικτύου στο οποίο συνδέεται. Ο άνεµος περιστρέφει τα πτερύγια της γεννήτριας, τα οποία µε τη σειρά τους συνδέονται µηχανικά µε έναν περιστρεφόµενο άξονα. Ο άξονας αυτός έχει σύνδεση µε ένα κιβώτιο µετάδοσης της κίνησης, όπου αυξάνεται η ταχύτητα περιστροφής, προκειµένου να µεταφέρει µε έναν άλλο άξονα την κινητική ενέργεια σε µια ηλεκτροπαραγωγική γεννήτρια. Ο σταθµός διαθέτει και ένα σύστηµα εποπτείας και ελέγχου, ώστε να µπορεί να ανταπεξέλθει σε περιπτώσεις µεταβολών του ανέµου και αλλαγών στη δοµή του κύριου δικτύου στο οποίο συνδέεται. Συγκεκριµένα ο άνεµος περιστρέφει τα πτερύγια της ανεµογεννήτριας τα οποία είναι συνδεµένα µε ένα περιστρεφόµενο άξονα. Ο άξονας συνδέεται µε ένα κιβώτιο µετάδοσης της κίνησης, όπου αυξάνεται η ταχύτητα περιστροφής, για να µεταφέρει µε ένα νέο άξονα την κινητική ενέργεια σε µια γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος. Σε περίπτωση που η ένταση του ανέµου είναι ιδιαίτερα υψηλή, η φθορά και η καταστροφή της τουρµπίνας αποφεύγεται χάρη στην παρουσία µίας πέδης, που περιορίζει την υπερβολική αύξηση των στροφών των πτερυγίων. 2.3 ΟΜΗ ΤΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Συνήθως µια ανεµογεννήτρια έχει ένα δύο ή τρία πτερύγια. Οι ανεµογεννήτριες διακρίνονται σε δύο τύπους : 1) τον τύπο κατακόρυφου άξονα και 2) τον τύπο οριζόντιου άξονα. Οι πιο σύγχρονοι τύποι ανεµογεννήτριας είναι οι οριζόντιου άξονα µε δύο ή τρία πτερύγια. Οι ανεµογεννήτριες χρησιµοποιούνται σε αυτόνοµες εφαρµογές ή σε σύνδεση µε ηλεκτρικό δίκτυο ή τέλος συνδυασµένες µε φωτοβολταϊκά συστήµατα, µπαταρίες ή γεννήτριες ντίζελ. Οι ανεµογεννήτριες σχεδιάζονται για να λειτουργούν σε σταθερή ή µεταβαλλόµενη ταχύτητα. Οι τελευταίες παράγουν 8% έως 15% περισσότερη ενέργεια σε σχέση µε τις πρώτες, αλλά απαιτούν ηλεκτρονικούς µετατροπείς ενέργειας που θα εξασφαλίζουν σταθερή συχνότητα και τάση. Οι περισσότεροι κατασκευαστές έχουν επιλέξει για τη µείωση της ταχύτητας ανάµεσα στο χαµηλής ταχύτητας στροφέα και των υψηλής ταχύτητας γεννητριών τριών φάσεων. Η ανεµογεννήτρια αποτελείται από τρία βασικά µέρη, κάθε ένα από τα οποία αποτελούνται από άλλα επιµέρους δοµικά στοιχεία. Τα τρία βασικά δοµικά µέρη µιας ανεµογεννήτριας είναι τα εξής:

36 - Νασέλλα - Πύργος - Βάση 2.4 ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Ανεµογεννήτριες κατακόρυφου άξονα Στις ανεµογεννήτριες αυτού του τύπου ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος στη ροή του ανέµου και στο έδαφος. Αυτός ο τύπος ανεµογεννητριών είναι ο λιγότερα συχνά χρησιµοποιούµενος. Οι πιο γνωστοί τύποι ανεµογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι οι ανεµογεννήτριες τύπου «Darrieus» και «Savonius». Το κυριότερο πλεονέκτηµα της διάταξης είναι ότι η µηχανή δε χρειάζεται να προσανατολίζεται προς τον άνεµο για να είναι αποτελεσµατική, δηλαδή µπορεί να περιστρέφεται από άνεµο που έρχεται από κάθε κατεύθυνση κάθε στιγµή, οπότε δεν απαιτείται µηχανισµός προσανατολισµού. Το γεγονός αυτό δίνει πλεονέκτηµα σε µέρη που υπάρχει µεγάλη µεταβλητότητα στην κατεύθυνση του ανέµου. Η ηλεκτρική γεννήτρια σε αυτές τις µηχανές µπορεί να τοποθετηθεί κοντά στο έδαφος, κάτι που συνεπάγεται µια απλή και οικονοµική σχεδίαση για τον πύργο. Επίσης είναι εύκολα προσβάσιµα συστήµατα και πολλές φορές δε χρειάζεται πυλώνας στήριξης. Σηµαντικό είναι επίσης ότι σε αυτές τις µηχανές ο έλεγχος βήµατος πτερυγίων δεν είναι απαραίτητος όταν χρησιµοποιούνται σε σύγχρονη γεννήτρια.υπάρχουν όµως και κάποια σοβαρά µειονεκτήµατα που δεν κάνουν τις ανεµογεννήτριες κατακόρυφου άξονα τόσο λειτουργικές. Το κυριότερο πρόβληµα είναι πολλές φορές δεν είναι δυνατόν να ξεκινήσουν να περιστρέφονται χωρίς εξωτερική παρέµβαση, µιας και η ροπή εκκίνησης τους είναι πάρα πολύ υψηλή. Επίσης σηµαντικό είναι το γεγονός πως έχουν µικρή σχετικά απόδοση µιας και η ταχύτητα του ανέµου σε αυτά τα ύψη είναι σχετικά χαµηλή και επίσης κατά την περιστροφή τους, υπάρχουν σηµεία στα οποία η συνεισφορά του ανέµου είναι σχεδόν µηδενική. Ανεµογεννήτριες οριζόντιου άξονα Στις ανεµογεννήτριες αυτού του τύπου ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος στη ροή του ανέµου και οριζόντιος ως προς το έδαφος. Όλες οι ανεµογεννήτριες αυτού του τύπου χαρακτηρίζονται από ένα στροφέα τύπου προπέλας που στηρίζεται πάνω ένα οριζόντιο άξονα, ενώ οι περισσότερες έχουν δύο ή τρία πτερύγια. Πολύ σηµαντικά πλεονεκτήµατα, που κάνουν τόσο δηµοφιλή αυτού του τύπου τις ανεµογεννήτριες, είναι ότι δε χρειάζονται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέµου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, εµφανίζουν υψηλό αεροδυναµικό συντελεστή, ενώ είναι εύκολη η συναρµολόγησή τους

37 Το µεγάλο µειονέκτηµα των ανεµογεννητριών οριζόντιου άξονα είναι ότι η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να τοποθετηθούν πάνω στον πύργο, γεγονός που κάνει την κατασκευή τους ακριβή και πιο δύσκολη. Επίσης σε σχέση προς τις ανεµογεννήτριες κάθετου άξονα, εδώ χρειάζεται ενεργός µηχανισµός περιστροφής ή συνηθέστερα ένα ουριαίο πτερύγιο για τον προσανατολισµό στην κατεύθυνση του ανέµου. Εικ.2.2 Είδη ανεµογεννητριών-οριζόντιου και κατακόρυφου άξονα.[15] 2.5 ΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Νασέλλα: Η νασέλλα αποτελεί το ογκώδες οριζόντιο τµήµα που είναι τοποθετηµένο στην κορυφή του πύργου της ανεµογεννήτριας και στο οποίο εφάπτεται ο στροφέας. Η νασέλλα περιλαµβάνει το σύστηµα µετάδοσης (κιβώτιο ταχυτήτων), τους άξονες χαµηλής και υψηλής ταχύτητας, τη γεννήτρια, τον ελεγκτή και την πέδη. Στροφέας: Ο στροφέας αποτελείται από τον άξονα και τα πτερύγια. Πτερύγια: Οι περισσότεροι στρόβιλοι αποτελούνται από δύο ή τρία πτερύγια. Η κίνηση του ανέµου πάνω από τα πτερύγια προκαλεί την περιστροφή τους και µέσω ενός κεντρικού άξονα µετατρέπει την κίνηση του ανέµου σε κυκλική κίνηση στην ανεµογεννήτρια. Το βασικό χαρακτηριστικό των πτερυγίων είναι το αεροδυναµικό τους σχήµα, που διαδραµατίζει σηµαντικό ρόλο στην απόδοσή τους

38 Εικ. 2.3 οµικά µέρη µιας ανεµογεννήτριας [16] Άξονας χαµηλής ταχύτητας: Ο άξονας χαµηλής ταχύτητας συνδέεται µεταξύ του στροφέα και του συστήµατος µετάδοσης. Ο στροφέας κινεί τον άξονα χαµηλής ταχύτητας περίπου περιστροφές το λεπτό. Σύστηµα µετάδοσης: Το σύστηµα µετάδοσης συνδέει τον άξονα χαµηλής ταχύτητας µε τον άξονα υψηλής ταχύτητας και αυξάνει την ταχύτητα περιστροφής από περιστροφές το λεπτό (rpm) σε rpm, δηλαδή την ταχύτητα περιστροφής που απαιτείται από τις περισσότερες γεννήτριες για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος. Το σύστηµα µετάδοσης αποτελεί ένα ακριβό και βαρύ δοµικό στοιχείο της ανεµογεννήτριας. Ανεµογεννήτριες µέχρι 150 kw έχουν σύστηµα µετάδοσης δύο επιπέδων, ενώ ανεµογεννήτριες 300 kw έχουν σύστηµα τριών επιπέδων (δύο επίπεδα και ένας ενδιάµεσος άξονας) και αυτές άνω των 450 kw έχουν σύστηµα µετάδοσης δύο επιπέδων σε συνδυασµό µε ένα οδοντωτό τροχό. Άξονας υψηλής ταχύτητας: Ο άξονας υψηλής ταχύτητας συνδέεται µεταξύ του συστήµατος µετάδοσης και της γεννήτριας. Το σύστηµα µετάδοσης κινεί τον άξονα και αυτός µε τη σειρά του κινεί τη γεννήτρια παρέχοντάς της υψηλή ταχύτητα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Γεννήτρια: Μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέµου σε εναλλασσόµενο ηλεκτρικό ρεύµα. Ελεγκτής: Η βασική λειτουργία του ελεγκτή είναι να δίνει εντολές στον κινητήρα παρεκτροπής σχετικά µε το πόσο και προς τα που να στρέψει τη νασέλλα, έτσι ώστε ο στροφέας να βρίσκεται πάντα κόντρα στη ροή του ανέµου. Ανάλογα µε τα δεδοµένα που λαµβάνει από το ανεµόπτερο, ενεργοποιεί τη λειτουργία του στροφέα για ταχύτητες ανέµου 8-16 µιλίων την ώρα, ενώ για ταχύτητες µεγαλύτερες από 65 µίλια ανά ώρα σταµατά τη λειτουργία του στροφέα, λόγω κινδύνου υπερθέρµανσης της γεννήτριας. Επιπλέον ο ελεγκτής καταγράφει διάφορες παραµέτρους της λειτουργίας

39 της ανεµογεννήτριας όπως είναι η τάση, το ρεύµα, η συχνότητα, η θερµοκρασία της νασέλλας και της γεννήτριας, το επίπεδο υδραυλικής πίεσης και το επίπεδο δόνησης. Πέδη (Λειτουργία Φρένου): Αποτελεί ένα δισκόφρενο, το οποίο µπορεί να εφαρµοστεί µηχανικά, ηλεκτρικά ή υδραυλικά µε σκοπό να σταµατήσει το στροφέα σε καταστάσεις που ενέχουν κίνδυνο έκτακτης ανάγκης. Ο έλεγχος της υπερβολικής ταχύτητας στις ανεµογεννήτριες εξασφαλίζεται µε δύο τρόπους: αεροδυναµικά ή µε µηχανική πέδηση. Ο έλεγχος της υπερβολικής ταχύτητας αεροδυναµικά αποτελεί την καλύτερη µέθοδο για την επιβράδυνση της ανεµογεννήτριας. Το φρενάρισµα της ανεµογεννήτριας µπορεί να επιτευχθεί µε τη µεταφορά ενέργειας από τη γεννήτρια, µετατρέποντας την κινητική ενέργεια της περιστροφής του στροφέα σε θερµότητα. Αυτή η µέθοδος είναι χρήσιµη στις περιπτώσεις που η κινητική ενέργεια στη γεννήτρια µειώνεται ξαφνικά ή είναι πολύ µικρή για να διατηρήσει την ταχύτητα του στροφέα στα επιτρεπτά επίπεδα. Το κυκλικά επαναλαµβανόµενο φρενάρισµα µειώνει σταδιακά και ελεγχόµενα την ταχύτητα των πτερυγίων. Με αυτόν τον τρόπο, η περιστροφή του στροφέα διατηρείται σε ασφαλή ταχύτητα, ακόµα και στις περιπτώσεις ανέµων υψηλών ταχυτήτων, διατηρώντας ταυτόχρονα, την παραγωγή ενέργειας σε κανονικά επίπεδα. Σε περιπτώσεις εργασιών συντήρησης, ο στροφέας σταµατά να περιστρέφεται µε τη βοήθεια ενός µηχανικού δισκόφρενου. Τα δισκόφρενα εφαρµόζονται αφού έχει µειωθεί ήδη η ταχύτητα του στροφέα µε ηλεκτροµαγνητική πέδηση, καθώς τα µηχανικά φρένα θα φθαρθούν εύκολα εάν εφαρµοστούν για να σταµατήσουν τον στροφέα από τη πλήρη ταχύτητα. Μηχανισµός και κινητήρας παρεκτροπής: Ο µηχανισµός παρεκτροπής αποτελεί ένα µηχανισµό που στρέφει το στροφέα και εποµένως ολόκληρη τη νασέλλα έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ότι βρίσκεται κόντρα στην κατεύθυνση του ανέµου. Κάτω από τον τροχό του µηχανισµού παρεκτροπής βρίσκεται ο µηχανισµός παρεκτροπής, ο οποίος τον θέτει σε κίνηση. Ανεµόµετρο: Υπολογίζει την ταχύτητα του ανέµου και µεταφέρει τα σχετικά δεδοµένα της µέτρησης στον ελεγκτή. Ανεµοδείκτης: Αποτελεί ένα µηχανισµό που ενηµερώνει τον ελεγκτή σχετικά µε την κατεύθυνση του ανέµου, ώστε να ενεργοποιηθεί ανάλογα ο µηχανισµός παρεκτροπής. Πλήµνη: Αποτελεί το σηµείο στο οποίο στερεώνονται τα πτερύγια και κατασκευάζεται από χυτοσίδηρο. Πύργος: Ο πύργος είναι το τµήµα της ανεµογεννήτριας πάνω στον οποίο στηρίζεται η νασέλλα και ο στροφέας. Το ύψος της ανεµογεννήτριας αποτελεί ένα σηµαντικό παράγοντα κατά το σχεδιασµό των ανεµογεννητριών του τύπου του οριζόντιου άξονα. Καθώς η ταχύτητα του ανέµου αυξάνει µε το ύψος, οι πιο υψηλοί πύργοι επιτρέπουν την παραγωγή περισσότερου ηλεκτρικού ρεύµατος. Η µεταβολή της ταχύτητας µε το

40 ύψος, που ονοµάζεται διάτµηση του ανέµου είναι εντονότερη κοντά στην επιφάνεια της γης. Χαρακτηριστικά κατά τη διάρκεια της ηµέρας η αύξηση της ταχύτητας του ανέµου είναι ανάλογη µε την έβδοµη ρίζα του ύψους. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ο διπλασιασµός του ύψους του πύργου αυξάνει τις αναµενόµενες ταχύτητες του ανέµου κατά 10% και την αντίστοιχη παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια κατά 34%. Ο διπλασιασµός του ύψους του πύργου απαιτεί βέβαια και αντίστοιχο διπλασιασµό της διαµέτρου και εποµένως και των κατασκευαστικών υλικών που απαιτούνται, αυξάνοντας µε αυτό τον τρόπο και το κόστος κατασκευής. Κατά τη διάρκεια της νύχτας, όταν η ατµόσφαιρα είναι περισσότερο σταθερή, η ταχύτητα του ανέµου κοντά στο έδαφος µειώνεται σε αντίθεση µε το ύψος που βρίσκεται ο στροφέας της ανεµογεννήτριας στο οποίο µπορεί ακόµα και να αυξηθεί. Εποµένως, καθώς η ανεµογεννήτρια θα παράγει περισσότερη ενέργεια κατά τη διάρκεια της νύχτας, µε το διπλασιασµό του ύψους του πύργου, η ταχύτητα του ανέµου αυξάνει κατά 20%-60%. Για τις ανεµογεννήτριες του τύπου του οριζόντιου άξονα η επιλογή του κατάλληλου ύψους γίνεται µε βάση το συνδυασµό της αύξησης της παραγωγής ενέργειας και της αντίστοιχης αύξησης του κόστους κατασκευής. Η συνθήκη αυτή επιτυγχάνεται για ύψη διπλάσια ή τριπλάσια του µήκους των πτερυγίων. Οι πύργοι των µεγάλων ανεµογεννητριών µπορεί να είναι σωληνοειδείς χαλύβδινοι πύργοι, πύργοι δικτυωτού χαλύβδινου πλέγµατος ή συµπαγείς τσιµεντένιοι πύργοι. Οι πιο συχνά χρησιµοποιούµενοι πύργοι είναι οι σωληνοειδείς χαλύβδινοι, που κατασκευάζονται από κωνικά χαλύβδινα τµήµατα ύψους 20-30m. Οι πύργοι δικτυωτού χαλύβδινου πλέγµατος, παρά το γεγονός υπερτερoύν από άποψη κόστους σε σχέση µε τους προηγούµενους που απαντώνται σπανιότερα. 2.6 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Ισχύς του ανέµου Άνεµος είναι απλώς αέρας σε κίνηση. Ο αέρας έχει µάζα αν και αρκετά χαµηλής πυκνότητας που όταν έχει ταχύτητα, ο προκύπτων άνεµος έχει κινητική ενέργεια ανάλογη του ½ m. Αν ρ είναι η πυκνότητα του αέρα, που µεταβάλλεται µε το ύψος και τις ατµοσφαιρικές συνθήκες. Τυπική τιµή 1,3 Kg/m3, V είναι η ταχύτητα του ανέµου και S είναι η επιφάνεια που διαπερνάει κάθετα ο άνεµος, τότε m = ρ S V µάζα αέρα που περνάει στη µονάδα του χρόνου. 2.1 οπότε η κινητική ενέργεια που περνάει από την επιφάνεια στη µονάδα του χρόνου (ισχύς) είναι:

41 P = ρ S V V = 1/2 ρ S. 2.2 Αυτή είναι η ολική ισχύς που υπάρχει στον άνεµο και µπορεί να δεσµευθεί µε ένα ανεµοκινητήρα. Στην πραγµατικότητα µόνο ένα κλάσµα P αυτής της ισχύος µπορεί να δεσµευθεί, διότι αφενός µεν ο αέρας πρέπει να αποµακρύνεται από τον ανεµοκινητήρα µε κάποια ταχύτητα, αφ ετέρου δε η φτερωτή του ανεµοκινητήρα προκαλεί εκτροπή µέρους του αέρα, το οποίο την παρακάµπτει χωρίς να τη διαπεράσει. Ονοµάζουµε συντελεστή ισχύος C ενός ανεµοκινητήρα τον λόγο: = P / P = P /(1/2) ρ S V = Μηχανική Ισχύς που παράγεται / Ισχύς του ανέµου που διαπερνάει την S. 2.3 Από την προηγούµενη σχέση φαίνεται ότι η παραγόµενη ισχύς είναι ανάλογη του κύβου της ταχύτητας του ανέµου.επειδή η ταχύτητα του ανέµου µπορεί να µεταβληθεί ουσιαστικά ακόµα και σε πολύ κοντινές αποστάσεις, η παραγόµενη ισχύς και ενέργεια µιας ανεµογεννήτριας εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τη θέση εγκατάστασής της. Μια ανεµογεννήτρια χαρακτηρίζεται από τρεις τιµές της ταχύτητας: 1)Την ταχύτητα έναρξης (Vi): Είναι η ελάχιστη ταχύτητα ανέµου για την οποία η µηχανή αρχίζει να παράγει ισχύ. 2) Την ονοµαστική ταχύτητα ( ): Είναι η ταχύτητα ανέµου για την οποία η ισχύς που παράγεται γίνεται ίση µε την ονοµαστική ισχύ (δηλ. τη µέγιστη). 3) Την ταχύτητα αποσύζευξης ( ): Είναι η µέγιστη ταχύτητα ανέµου για την οποία η µηχανή λειτουργεί χωρίς σοβαρό κίνδυνο βλάβης. Για V > Vmax η ανεµογεννήτρια ακινητοποιείται για ασφάλεια. Ο προσδιορισµός των Vi,,,! µιας ανεµογεννήτριας για µια συγκεκριµένη θέση είναι αντικείµενο βελτιστοποίησης που παίρνει υπόψη τις ενεργειακές ανάγκες, στοιχεία κόστους και ανεµολογικά δεδοµένα. Εµπειρικά, η ετήσια παραγωγή ενέργειας είναι µέγιστη όταν η είναι 1,5-2 φορές µεγαλύτερη από τη µέση ταχύτητα του ανέµου στη συγκεκριµένη θέση. Μια άλλη παράµετρος είναι η Ειδική Ενέργεια Εξόδου ", η οποία είναι η ολική ενέργεια που παράγεται σε ένα έτος (KWH) προς την ονοµαστική ισχύ (KW). Εξαρτάται από την εκλογή της, και τα ανεµολογικά δεδοµένα της θέσεως και µπορεί να θεωρηθεί ως ο ισοδύναµος αριθµός ωρών λειτουργίας µε ονοµαστική ισχύ εξόδου

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα πρόσφατα χρόνια οι καταστροφές, που οφείλονται σε κεραυνικά πλήγµατα σε ανεµογεννήτριες έχουν αυξηθεί, καθώς ο αριθµός και το µέγεθός τους έχουν αυξηθεί ραγδαία. Εξαιτίας της τοποθέτησης τους σε περιοχές εκτεθειµένες σε κεραυνούς αλλά και του συνολικού τους ύψους οι ανεµογεννήτριες είναι συχνά εκτεθειµένες σε άµεσα κεραυνικά πλήγµατα. Ο κίνδυνος να πληγεί από κεραυνό αυξάνει γραµµικά µε το ύψος της κατασκευής. Οι ανεµογεννήτριες οριζόντιου άξονα µε πτερύγια µπορεί να ξεπεράσουν τα 150m, γεγονός που τις καθιστά ιδιαίτερα ευάλωτες σε κεραυνικά πλήγµατα. Όταν ο κεραυνός πλήξει τα πτερύγια το ρεύµα διασχίζει όλη την κατασκευή και οδηγείται στο έδαφος. Πιο συγκεκριµένα το ρεύµα περνά µέσα από το πτερύγιο και από τα ρουλεµάν βήµατος του πτερυγίου και οδηγείται στην πλήµνη και στον κύριο άξονα. Μετά µέσω του ρουλεµάν του κύριου άξονα κατευθύνεται προς τη νασέλλα και τέλος µέσω του ρουλεµάν παρέκκλισης εισέρχεται στον πύργο και καταλήγει στο έδαφος µέσω της βάσης. Η αντικεραυνική προστασία των ανεµογεννητριών παρουσιάζει σηµαντικές δυσκολίες, µε σηµαντικότερη την προστασία των περιστρεφόµενων πτερυγίων. Τα κεραυνικά πλήγµατα επηρεάζουν αρχικά τα συστήµατα ελέγχου, στη συνέχεια τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά συστήµατα και τελευταία τα πτερύγια και τους αισθητήρες. Τα µηχανικά τµήµατα, όπως τα συστήµατα πέδησης (αν υπάρχουν) τα µηχανικά φρένα και η ηλεκτρική γεννήτρια δεν επηρεάζονται σε υψηλό βαθµό ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΑ ΠΤΕΡΥΓΙΑ Οι καταστροφές στα πτερύγια των ανεµογεννητριών, που οφείλονται σε κεραυνούς, είναι αρκετά σοβαρές ενώ το κόστος της αντικατάστασης είναι υψηλό και ο αναγκαίος χρόνος επισκευής είναι µεγάλος. Το πρότυπο TR IEC , στην παράγραφο 6.1, αναφέρεται στη δοµή του πτερυγίου: «Τα κεραυνικά πλήγµατα σε µη αγώγιµα πτερύγια µπορούν να εξηγηθούν από το γεγονός ότι η ρύπανση και το νερό καθιστούν αυτά τα πτερύγια, µε το πέρασµα του χρόνου, περισσότερο αγώγιµα». Τα πειράµατα που πραγµατοποιήθηκαν σε εργαστήρια υψηλών τάσεων έδειξαν ότι το τόξο επαφής ενός µη αγώγιµου πτερυγίου, που έχει ψεκαστεί µε αλατούχο νερό, δε διαφέρει από το αντίστοιχο ενός µεταλλικού πτερυγίου. Η πρακτική εµπειρία έχει δείξει ότι σε µη αγώγιµα πτερύγια προκαλούνται συχνά σοβαρές βλάβες από κεραυνικά πλήγµατα. Στην παράγραφο 6.2 αναφέρεται ότι: «οι τυπικές καταστροφές στα σηµεία επαφής του κεραυνού είναι η αποπλαστικοποίηση και η αποτέφρωση των σύνθετων επιφανειών και το λιώσιµο ή η θέρµανση των µεταλλικών εξαρτηµάτων». «Η πιο σοβαρή ζηµιά των πτερυγίων των ανεµογεννητριών προκαλείται όταν το τόξο

43 του κεραυνού εισχωρεί στο εσωτερικό του πτερυγίου. Το τόξο δηµιουργείται στον αέρα που γεµίζει τις κοιλότητες του εσωτερικού του πτερυγίου και κατά µήκος των εσωτερικών επιφανειών. Ένας άλλος τύπος βλάβης εµφανίζεται όταν το κεραυνικό ρεύµα ή µέρος του διέρχεται µέσα ή ανάµεσα από τα στρώµατα των σύνθετων υλικών, πιθανώς επειδή αυτά τα στρώµατα συγκρατούν υγρασία.το κύµα πίεσης που δηµιουργείται από τέτοια εσωτερικά τόξα µπορεί κυριολεκτικά να κάνει το πτερύγιο να εκραγεί και να προκαλέσει το σκίσιµο της επιφάνειάς του. Ο βαθµός της ζηµιάς κυµαίνεται από επιφανειακό σπάσιµο έως πλήρη αποσύνθεση του πτερυγίου». «Το φαινόµενο που ευθύνεται για αρκετές διαρθρωτικές ζηµιές στα πτερύγια των ανεµογεννητριών οφείλεται στο σχηµατισµό ενός κύµατος πίεσης γύρω από το τόξο του κεραυνού στο εσωτερικό του πτερυγίου. Μικρότερες ζηµιές προκαλούνται όταν το τόξο του κεραυνού εφαρµόζεται στην εξωτερική επιφάνεια». Στην παράγραφο 8.1 βρίσκουµε µια σηµαντική αναφορά του προτύπου IEC , η οποία αναφέρει ότι: «Τα πτερύγια των ανεµογεννητριών είναι τα πιο εκτεθειµένα µέρη τους, και τυγχάνουν των πλήρων επιπτώσεων από τα ηλεκτρικά πεδία που δηµιουργούνται από τη διαδικασία επαφής του κεραυνού, τα κεραυνικά ρεύµατα και το µαγνητικό πεδίο αυτών των ρευµάτων». 3.3 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΑ Ε ΡΑΝΑ ΚΥΛΙΣΗΣ Το κεραυνικό ρεύµα µετά από την διέλευσή του από το πτερύγιο της ανεµογεννήτριας περνά από τα υπόλοιπα µέρη της στη διαδροµή του προς το έδαφος. Όλο ή µέρος του ρεύµατος του κεραυνού θα περάσει από τα έδρανα κύλισης της ανεµογεννήτριας. Ενδέχεται και ένα µέρος του ρεύµατος να συνεχίσει τη διαδροµή του κατά µήκος του άξονα προς τη γεννήτρια. Τα έδρανα που συναντά κανείς σε µια ανεµογεννήτρια είναι τα έδρανα βήµατος πτερυγίων, το κύριο αξονικό έδρανο κύλισης, τα έδρανα του κιβωτίου ταχυτήτων, το έδρανο αλλαγής κατεύθυνσης και τα έδρανα της γεννήτριας. Τα έδρανα βήµατος πτερυγίων και τα έδρανα αλλαγής της κατεύθυνσης είναι στάσιµα ή αργά περιστρεφόµενα σε αντίθεση µε τα έδρανα του κιβωτίου ταχυτήτων, της γεννήτριας και του κύριου αξονικού εδράνου που περιστρέφονται γρήγορα

44 Εικ.3.1 α) Κύριο έδρανο κύλισης β) Έδρανο κύλισης της γεννήτριας γ) Έδρανο βήµατος πτερυγίων δ) Έδρανο συστήµατος κλίσης [10] 3.4. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ ΑΝΕΜΟΜΕΤΡΟ Τα ανεµόµετρα σε µια ανεµογεννήτρια χρησιµοποιούνται για να πραγµατοποιούνται οι απαραίτητες µετρήσεις της ταχύτητας καθώς και της κατεύθυνσης του ανέµου. Τα ανεµόµετρα τοποθετούνται στην κορυφή της νασέλλας άρα είναι εκτεθειµένα. Η πιο συχνή αιτία καταστροφής του ανεµόµετρου είναι η πτώση κεραυνού. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα ηλεκτρονικά µέρη των οργάνων αυτών καταστρέφονται λόγω των επαγόµενων ρευµάτων. Σε κάποιες περιπτώσεις κρουστικά ρεύµατα προκαλούν φθορές στο ανεµόµετρο όπως για παράδειγµα τήξη µεταλλικών µερών. Πλήγµα κεραυνού απευθείας στο ανεµόµετρο συντελεί στην καταστροφή όλων των µερών του, όµως τέτοιου είδους πλήγµατα δεν συµβαίνουν τόσο συχνά ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Μετά από κεραυνικό πλήγµα στο πτερύγιο της ανεµογεννήτριας το ρεύµα θα πρέπει να περάσει από το πτερύγιο, τα ρουλεµάν της πλήµνης, τον άξονα χαµηλής ταχύτητας, το κιβώτιο ταχυτήτων και τον άξονα υψηλής ταχύτητας. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες διαδροµές που µπορεί να ακολουθήσει το ρεύµα για αυτό και δεν φθάνει όλο τελικά στην γεννήτρια. Πλήγµα κεραυνού στη νασσέλα ή στον πύργο θα µπορούσε επίσης να επάγει τάσεις και ρεύµατα στα καλώδια ισχύος και στα τυλίγµατα της γεννήτριας

45 Λόγω του περιορισµένου διαθέσιµου χώρου η µόνωση των περιστρεφόµενων περιελίξεων της γεννήτριας δεν είναι αρκετή, έτσι οι γεννήτριες είναι περισσότερο ευάλωτες σε βλάβες από ρεύµατα κεραυνού σε σχέση µε τον υπόλοιπο ηλεκτρικό εξοπλισµό. Εκτός από τα περιελίξεις της γεννήτριας, ο εξοπλισµός ελέγχου και παρακολούθησης µπορεί επίσης να υποστεί σοβαρές βλάβες. Ακόµη υπό την επίδραση του ηλεκτρικού τόξου, τα ρουλεµάν µπορεί να υποστούν αλλοιώσεις. Συγκεκριµένα µπορεί να εµφανίσουν µικρά βαθουλώµατα µε αποτέλεσµα να πέσουν. Επίσης µετά από πλήγµα κεραυνού, οι δίοδοι µιας σύγχρονης γεννήτριας µπορεί να χρειαστούν αντικατάσταση. 3.6 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Αποτέλεσµα της πτώσης του κεραυνού είναι η ροή µεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικού φορτίου. Αυτό έχει ως συνέπεια την ασθενή ηλεκτρική και µαγνητική σύζευξη, την ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία που αποδεικνύονται ιδιαίτερα επιβλαβή για τα ηλεκτρονικά υποσυστήµατα της ανεµογεννήτριας. Το ρεύµα του κεραυνού περικλείει µεγάλη ποσότητα ενέργειας. Η ενέργεια αυτή είναι που προκαλεί βλάβες στα ηλεκτρονικά µέρη της ανεµογεννήτριας εξασφαλίζοντας πρόσβαση σε αυτά µέσω αγώγιµης ζεύξης και της σύζευξης του ηλεκτροµαγνητικού πεδίου ΑΓΩΓΙΜΗ ΖΕΥΞΗ Η ενέργεια του κεραυνικού ρεύµατος µεταφέρεται στα ηλεκτρονικά µέρη της ανεµογεννήτριας κυρίως δια µέσου των εξωτερικών τηλεφωνικών γραµµών και γραµµών ισχύος, καθώς επιπλέον και δια µέσου των τοπικών αισθητήρων και καλωδίων ελέγχου. Μέσω της υπέρτασης που αναπτύσσεται, η ενέργεια διαδίδεται σε όλες τις κατευθύνσεις για µεγάλη απόσταση. Έτσι η ροή της ενέργειας δεν παρουσιάζεται µόνο µεταξύ ζευγών καλωδίων, αλλά παντού γύρω από τα ηλεκτρονικά στοιχεία, όπως από την είσοδο στην έξοδό τους, κατά µήκος της θωράκισης των καλωδίων ή κατά µήκος της στέγασης του ηλεκτρονικού υποσυστήµατος. Κατά τα γνωστά, η συνολική τάση σε έναν κλειστό βρόχο πρέπει να είναι ίση µε µηδέν. Εποµένως όταν το ρεύµα του κεραυνού περάσει από ένα βρόχο, αναπτύσσεται µία τάση και εποµένως θα πρέπει σε κάποιο άλλο µέρος του βρόχου να εµφανιστεί µια ίση σε µέτρο και αντίθετη σε φορά τάση. Τέτοια φαινόµενα έχουν σαν συνέπεια µεγάλες µεταβολές του δυναµικού του βρόχου, µε αποτέλεσµα οι τάσεις των ηλεκτρονικών στοιχείων να φθάσουν σε επίπεδα που κρίνονται ως µη αποδεκτά

46 ΣΥΖΕΥΞΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕ ΙΟΥ Κατά τη διάρκεια της ροής του ρεύµατος από το σηµείο του κεραυνικού πλήγµατος προς τη γη, εµφανίζονται µεγάλες τιµές ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό της κατασκευής. Τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα και τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά στοιχεία δεν µπορούν να αντέξουν αυτές τις τιµές. Όµως τα πράγµατα µπορούν να γίνουν ακόµη χειρότερα. ύο αγωγοί διαχωρισµένοι διηλεκτρικά, έχουν κάποια χωρητικότητα ανάµεσά τους. Αν σχηµατιστούν από δύο διαφορετικά δυναµικά στις δύο πλευρές αυτού του πυκνωτή διαδροµές χαµηλής αντίστασης, τότε η τιµή του πεδίου στο διηλεκτρικό θα αυξηθεί ακόµη περισσότερο προκαλώντας τη διάσπασή του. Αν η µία πλευρά του πυκνωτή βρίσκεται σχεδόν στο δυναµικό του εδάφους και η άλλη σε δυναµικό πολλών kv/m, τότε η διηλεκτρική διάσπαση είναι σίγουρη ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕ ΙΟΥ Το ρεύµα του κεραυνού προκαλεί τη δηµιουργία µαγνητικής ροής, η οποία εµπλέκεται µε όλα τα καλώδια που είναι κοντά στην διαδροµή ροής του. Καθώς λοιπόν η τιµή του ρεύµατος αυξάνεται, η εµπλεκόµενη µε τα καλώδια µαγνητική ροή αυξάνεται, επάγοντας σε αυτά µία τάση. Όταν το ρεύµα ρέει κάθετα προς τα καλώδια τότε η επαγόµενη τάση είναι µηδενική, ενώ όταν ρέει παράλληλα προς αυτά η επαγόµενη τάση γίνεται µέγιστη. Ακόµη επαγόµενη τάση µπορεί να εµφανιστεί σε τµήµατα κλειστού βρόχου ή και σε ολόκληρο τον βρόχο. Έτσι όταν πέφτει κεραυνός κοντά στον πύργο της ανεµογεννήτριας, χωρίς όµως να πλήττει την κατασκευή, δηµιουργούνται ηλεκτρικά και µαγνητικά πεδία στα ηλεκτρονικά µέρη της ανεµογεννήτριας. Συνήθως οι αποστάσεις µεταξύ του σηµείου πλήγµατος και των ηλεκτρονικών στοιχείων είναι αρκετά µεγάλες. Αυτό σηµαίνει ότι οι επαγόµενες τάσεις είναι σηµαντικές µόνο όταν στα ηλεκτρονικά στοιχεία συνδέονται µεγάλα µεταλλικά καλώδια όπως αυτά που οδηγούν αισθητήρες ή όργανα ελέγχου. Οι τηλεφωνικές γραµµές και οι γραµµές ισχύος έχουν αξιοσηµείωτα µήκη, ωστόσο συνήθως είναι κάθετα στη ροή του ρεύµατος κι έτσι δεν επάγεται τάση. 3.7 ΕΠΑΓΟΜΕΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ Τάση επαφής Τάση επαφής είναι το µέρος εκείνο της τάσεως σφάλµατος που εµφανίζεται µεταξύ του αγώγιµου τµήµατος της κατασκευής και ενός αγώγιµου σώµατος µε το οποίο ο άνθρωπος µπορεί να ευρίσκεται σε ταυτόχρονη επαφή τη στιγµή του σφάλµατος. Αν η µόνωση µεταξύ των ποδιών του και του αγώγιµου τµήµατος δεν είναι αρκετή ώστε να αποτρέψει τον σχηµατισµό τόξου, τότε ένα ρεύµα θα περάσει από το σηµείο επαφής προς τα πόδια

47 Βηµατική τάση Βηµατική τάση είναι η τάση µεταξύ των ποδιών για βήµα 1m στην κατεύθυνση της µεγαλύτερης µεταβολής του δυναµικού. Όταν ο κεραυνός πλήξει την ανεµογεννήτρια, το ρεύµα ρέει έξω από τη βάση του πύργου, στην επιφάνεια ή κοντά στην επιφάνεια του εδάφους εξουδετερώνοντας έτσι τα φορτία που είχαν δηµιουργηθεί σε αυτό από το φορτισµένο σύννεφο που υπήρχε από πάνω. Το χώµα είναι ένα µέσο υψηλής αντίστασης, έτσι µεγάλες ποσότητες δυναµικού θα υπάρχουν στην επιφάνειά του. Όταν λοιπόν ένα άτοµο σταθεί στο έδαφος κοντά στον πύργο, που πλήττεται από κεραυνό, θα αναπτυχθεί µια διαφορά δυναµικού ανάµεσα στα πόδια του, δηλαδή µια βηµατική τάση. 3.8 ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Η τιµή της αντίστασης γείωσης επιλέγεται µικρή, έτσι ώστε να µειωθούν οι βηµατικές τάσεις και οι τάσεις επαφής. Λόγω αυτής της µικρής τιµής προκαλείται µια αύξηση της τάσης στη βάση του πύργου. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα να δηµιουργηθεί µια διαφορά δυναµικού ανάµεσα στη βάση του πύργου και στους εισερχόµενους αγωγούς. Αυτή η διαφορά δυναµικού γίνεται υπέρταση µεταξύ της γραµµής ισχύος και του µετασχηµατιστή, που είναι εγκατεστηµένος στο επίπεδο του εδάφους µέσα στον πύργο ή µεταξύ µιας γραµµής τηλεπικοινωνιών και µιας συσκευής τηλεπικοινωνιών

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αντικεραυνική προστασία των ανεµογεννητριών παρουσιάζει κάποια προβλήµατα που δεν παρουσιάζονται σε άλλες κατασκευές επειδή: Είναι πολύ ψηλές κατασκευές µε τάση στις µέρες µας να αυξάνεται ακόµα περισσότερο το ύψος τους. Συχνά τοποθετούνται σε περιοχές όπου εµφανίζεται µεγάλος αριθµός κεραυνικών πληγµάτων ανά έτος. Τα πλέον εκτεθειµένα µέρη των ανεµογεννητριών (δηλαδή η πλήµνη αλλά και τα πτερύγια) είναι κατασκευασµένα από συνθετικά υλικά τα οποία είναι ευάλωτα και όχι ανθεκτικά στο ρεύµα του κεραυνού. Υπάρχουν περιστρεφόµενα τµήµατα όπως πχ η πλήµνη και τα πτερύγια. Το κεραυνικό ρεύµα µεταφέρεται µέσα στη γη δια µέσου του κύριου σώµατος της ανεµογεννήτριας, δηλαδή διαρρέει σχεδόν όλα τα µέρη της κατασκευής. Οι ανεµογεννήτριες που βρίσκονται στα αιολικά πάρκα είναι µεταξύ τους διασυνδεδεµένες και συχνά είναι εγκατεστηµένες σε µέρη µε κακή αντίσταση γείωσης. Οι ψηλές κατασκευές είναι δεδοµένο ότι επηρεάζουν το σχηµατισµό του κεραυνού. Για τις κατασκευές εκείνες όπου ξεπερνούν τα 60 µέτρα σε ύψος ένα µικρό σχετικά ποσοστό των κεραυνών δε πλήττουν την κορυφή της κατασκευής. Τέτοια πλήγµατα αποτελούν πρόβληµα για τις ανεµογεννήτριες, αφού αν δεχτούν ένα κεραυνικό πλήγµα στα πλαϊνά πτερύγια, ακόµα και αν είναι προστατευµένα είναι δυνατόν να καταστραφούν. Οι ανεµογεννήτριες επίσης, συχνά τοποθετούνται σε περιοχές όπου πνέουν ισχυροί άνεµοι, περιοχές στις οποίες συχνά παρατηρείται µεγάλος αριθµός πληγµάτων κεραυνών ανά έτος. Επιπρόσθετα οι ανεµογεννήτριες τοποθετούνται συνήθως στο υψηλότερο σηµείο της περιοχής και σε απόσταση από άλλα υψηλά αντικείµενα µε αποτέλεσµα να γίνονται περισσότερο ευάλωτες σε κεραυνικά πλήγµατα. Σε αυτές τις περιοχές, επίσης, έχουµε κακή αντίσταση γείωσης. Κατά τα λοιπά, η περιστροφή των τουρµπίνων προκαλεί ειδικά ζητήµατα καθώς ενυπάρχει ο κίνδυνος ο κεραυνός να πλήξει διαφορετικά πτερύγια ή ακόµα και διαφορετικά τµήµατα του ίδιου πτερυγίου. Στην περίπτωση που ο κεραυνός πλήξει τα πτερύγια τότε το κεραυνικό ρεύµα θα διαχυθεί µέσα στο σώµα της ανεµογεννήτριας στο δρόµο του προς τη γη. Αυτό το φαινόµενο είναι επικίνδυνο για τις µηχανές ειδικά στα σηµεία εκείνα που τα κινούµενα µέρη λιπαίνονται

49 4.2 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΙΝ ΥΝΟΥ Κατά τη διαδικασία σχεδιασµού κάθε συστήµατος αντικεραυνικής προστασίας θα πρέπει να λαµβάνεται υπόψη ο κίνδυνος το πλήγµα του κεραυνού να προκαλέσει ζηµιά στην κατασκευή. Ο κίνδυνος αυτός είναι εξαρτώµενος τόσο από το ύψος της κατασκευής όσο και από την µορφολογία του εδάφους αλλά και την κεραυνική δραστηριότητα στην εν λόγω περιοχή. Οι ζηµιές σε µια κατασκευή είναι δυνατό να προκαλέσουν και κίνδυνο σε ανθρώπους λόγω τάσεων επαφής ή βηµατικών τάσεων ή ακόµα και λόγω εκρήξεων και εκδήλωση πυρκαγιάς. Επιπρόσθετα µπορούν να προκληθούν µερικές βλάβες στην κατασκευή και στα περιεχόµενά της ή και ολική καταστροφή. Όταν είναι δυνατό θα πρέπει να λαµβάνονται υπόψη και τα τοπικά στοιχεία για την κεραυνική δραστηριότητα. Ο κύριος στόχος των συστηµάτων αντικεραυνικής προστασίας είναι η ελάττωση του κινδύνου κάτω από κάποιο αποδεκτό όριο. Το εν λόγω όριο καθορίζεται παίρνοντας υπόψη έναν ελάχιστο αποδεκτό κίνδυνο σε ότι αφορά την ανθρώπινη ασφάλεια και ακεραιότητα. Στις περιπτώσεις όπου δεν λαµβάνεται καθόλου υπόψη ο κίνδυνος για την ανθρώπινη ακεραιότητα τότε η ανάλυση βασίζεται σε αµιγώς οικονοµικούς όρους. Αυτό επιτυγχάνεται συγκρίνοντας το κόστος εγκατάστασης και συντήρησης του συστήµατος αντικεραυνικής προστασίας µε το κόστος των βλαβών που µπορούν να προκύψουν από ένα κεραυνικό πλήγµα. 4.3 ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟ Το πρώτο και βασικό βήµα για την αξιολόγηση της επικινδυνότητας σχετίζεται µε την εκτίµηση της συχνότητας κεραυνικών πληγµάτων. Η αναλυτική διαδικασία περιγράφεται λεπτοµερώς στο IEC Η πυκνότητα κεραυνών Ng ορίζεται ως ο αριθµός κεραυνών ανά τετραγωνικό χιλιόµετρο ανά χρόνο. Η τιµή του δίνεται από τους ισοκεραυνικούς χάρτες ή στην περίπτωση που αυτοί δεν είναι διαθέσιµοι, ως το γινόµενο: # $ =0.1% & 4.1 όπου % & είναι ο αριθµός ηµερών καταιγίδας ανά έτος. Για να συµπεριληφθεί στους υπολογισµούς η σχετική θέση αλλά και τα περίχωρα της υπό προστασία κατασκευής γίνεται χρήση του συντελεστή ' : ( ' = ( ) * ' ' * 10 +, 4.2 όπου * ' : η ισοδύναµη συλλεκτική επιφάνεια της υπό προστασία κατασκευής αν ήταν αποµονωµένη. ' : ο συντελεστής θέσης για την υπό προστασία κατασκευή, Cd=1 για ανεµογεννήτριες σε επίπεδο έδαφος και Cd=2 για ανεµογεννήτριες σε λόφο ή ύψωµα

50 Για τις αποµονωµένες κατασκευές που βρίσκονται σε επίπεδο έδαφος, η επιφάνεια συλλογής Ad είναι ίση µε την επιφάνεια που ορίζεται από την περιστροφή γύρω από τα υψηλότερα σηµεία της κατασκευής µιας ευθείας µε κλίση 1/3. Ο υπολογισµός αυτός µπορεί να γίνει είτε µε γραφικό τρόπο είτε µε την χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή. Εικ.4.1 Ένα παράδειγµα υπολογισµού της ισοδύναµης συλλεκτικής επιφάνειας [12] Στην εικόνα 4.1 φαίνεται ο γραφικός τρόπος υπολογισµού της ισοδύναµης συλλεκτικής επιφάνειας. Με βάση τα προηγούµενα, έχουµε: # & = # $ 9π-. & 10 +, ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ Σ.Α.Π. Το ανώτατο επιτρεπτό όριο κεραυνικών πληγµάτων ποικίλει και εξαρτάται τόσο από την χρήση για την οποία διατίθεται το κτιρίου, όσο και από την περιοχή, την συγκεκριµένη κατασκευή αλλά και τον αριθµό των ανθρώπων που βρίσκονται µέσα ή κοντά στην κατασκευή. Σύµφωνα µε το IEC ο αριθµός των επιτρεπτών συµβάντων ανά έτος Nc πρέπει να είναι µεγαλύτερος ή ίσος από το γινόµενο των ανά έτος απευθείας πληγµάτων στην κατασκευή Νd και τη διαφορά ένα µείον τη στάθµη της αντικεραυνικής προστασίας(1-ε) Nc>=Nd*(1-E) 4.4 όπου:

51 Ε: στάθµη αντικεραυνικής προστασίας Nd: αριθµός απευθείας πληγµάτων κεραυνού ανά έτος Nc: επιτρεπτός αριθµός πληγµάτων Πιν. 4.1 Στάθµες προστασίας και αποτελεσµατικότητα σύµφωνα µε το πρότυπο IEC I-V. Πιν. 4.2 Στάθµες προστασίας και παράµετροι κεραυνού Πιν. 4.3 Τιµές αποδοτικότητας και επίπεδα προστασίας Επειδή η ανεµογεννήτρια αποτελείται από διάφορα και πολλά µέρη, το σύστηµα αντικεραυνικής της προστασίας χωρίζεται σε ζώνες. Αυτές είναι τρεις. Η LPZ-0 σχετίζεται µε την προστασία από πλήγµα στα πτερύγια και το ανεµόµετρο, η LPZ

52 αφορά το εσωτερικό τµήµα της ανεµογεννήτριας, ενώ τέλος, η LPZ-2 συνδέεται µε την προστασία του ηλεκτρονικού εξοπλισµού µε ηλεκτροµαγνητική ασπίδα. Εικ. 4.2 Οι ζώνες αντικεραυνικής προστασίας της ανεµογεννήτριας [17] 4.5 ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΠΤΕΡΥΓΙΩΝ Το βασικό πρόβληµα για την προστασία των πτερυγίων είναι η µεταφορά του ρεύµατος του κεραυνού από το σηµείο πλήγµατος στον άξονα της ανεµογεννήτριας µε τέτοιο τρόπο ώστε να αποφευχθεί η δηµιουργία τόξου στο πτερύγιο. Αυτό επιτυγχάνεται είτε εκτρέποντας το ρεύµα από το σηµείο πλήγµατος µέσω της επιφάνειας του πτερυγίου στη βάση του πτερυγίου είτε προσθέτοντας αγώγιµο υλικό στην επιφάνεια του πτερυγίου όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εικ.4.3 Καθοδικοί αγωγοί στα πτερύγια[12]

53 Μια λύση για τους αγωγούς καθόδου των πτερύγιων είναι η τοποθέτησή του µέσα στη λεπίδα. Στα περισσότερα πτερύγια που κυκλοφορούν στην αγορά έχουν διακριτούς υποδοχείς στις άκρες των πτερύγιων για τη µεταφορά του ρεύµατος του κεραυνού στη βάση του πτερυγίου. Αν και τα αποτελέσµατα αυτής της µεθόδου για πτερύγια ως 20 µ είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά δεν υπάρχουν αρκετά δεδοµένα για την αξιολόγησή της για µεγαλύτερα πτερύγια. Το σύστηµα αγωγών καθόδου του πτερυγίου συνδέεται µε τον άξονα της ανεµογεννήτριας στη βάση του πτερυγίου. Εκεί το ρεύµα του κεραυνού είτε περνάει απευθείας στον άξονα της ανεµογεννήτριας είτε υπάρχει κάποιο είδους ευέλικτος ηλεκτρικός σύνδεσµος ο οποίος ακολουθεί την κίνηση του πτερυγίου και το ρεύµα περνά από εκεί. Από το ρεύµα καθόδου πρέπει να προστατευτούν όλα τα εσωτερικά εξαρτήµατα της ανεµογεννήτριας όπως το κιβώτιο ταχυτήτων, των κινητών µερών, του συστήµατος ελέγχου της ανεµογεννήτριας και του ηλεκτρικού συστήµατος. Η ανάλυση αυτή εξηγείται λεπτοµερώς στο διεθνές πρότυπο για την αντικεραυνική προστασία των ανεµογεννητριών της IEC. Εικ.4.4 Ελεγχόµενη προσοµοίωση σε εργαστηριακές συνθήκες κεραυνικού πλήγµατος σε πτερύγιο [12] 4.6 ΓΕΙΩΣΗ Η γείωση ορίζεται ως η αγώγιµη σύνδεση µε το έδαφος των προς γείωση τµηµάτων µιας εγκαταστάσεως ή του ουδέτερου κόµβου µετασχηµατιστών και γεννητριών και αποτελεί ένα πολύ σηµαντικό µέρος της κατασκευής των κτιριακών εγκαταστάσεων. Σκοπός της γείωσης είναι να κάνει εφικτή την εκφόρτιση των ηλεκτρικών ρευµάτων στη γη µέσω ενός γυµνού µεταλλικού κοµµατιού, του ηλεκτροδίου της γείωσης, το οποίο είναι θαµµένο µέσα στο έδαφος. Για µία συγκεκριµένη εκφόρτιση ρεύµατος η