Διπλωματική Εργασία Των φοιτητριών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ, ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ, ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΩΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία Των φοιτητριών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΚΟΡΚΑ ΣΤΥΛΙΑΝΗ ΣΙΜΩΝΗ ΒΑΣΙΛΙΚΗ Αριθμός Μητρώου: Θέμα «ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ (DFIG)» Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Νοέμβριος 2013

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ (DFIG)» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κόρκα Στυλιανή του Ιωάννη Σιμώνη Βασιλική του Παναγιώτη Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ (DFIG)» Φοιτήτριες: Κόρκα Στυλιανή Σιμώνη Βασιλική Επιβλέπων: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και ανάλυση ενός αιολικού συστήματος με ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας. Αρχικά, γίνεται μία εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, με ιδιαίτερη αναφορά στην αιολική ενέργεια. Κατόπιν, περιγράφονται τα κυριότερα ανεμολογικά χαρακτηριστικά οι διάφοροι τρόποι ταξινόμησης των ανεμογεννητριών που υπάρχουν σήμερα, τα δομικά στοιχεία αυτών, καθώς και οι βασικές τεχνικές ελέγχου που εφαρμόζονται σ αυτές. Ακολουθεί η γενική παρουσίαση μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας. Προκειμένου να γίνει μελέτη των μεταβατικών καταστάσεων, παρουσιάζεται το δυναμικό μοντέλο και ο διανυσματικός έλεγχος μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας. Τέλος, γίνεται η προσομοίωση ενός αιολικού πάρκου, που περιλαμβάνει ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου και μελετώνται τα δεδομένα που προκύπτουν για τυχαίες μεταβολές του ανέμου. ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ Αιολική ενέργεια, ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών, Γεννήτρια επαγωγής διπλής τροφοδοσίας, Ελεγκτής γωνίας βήματος πτερυγίων, Μετατροπέας, Ηλεκτρονικά ισχύος

4 ABSTRACT The subject of this thesis is the study and analysis of a variable speed wind turbine equipped with a doubly-fed induction generator (DFIG). At first, an introduction is made of the renewable energy sources, with special mention of the wind energy. Then, there is the description of the different types of wind turbines than exist nowadays, their components and their aerodynamic conversion. A general presentation of a doubly-fed induction generator (DFIG) is made. After that, the dynamic model and the vector control doubly-fed induction generator are presented in order to study various transition phenomena. Finally, the simulation of a wind farm that includes wind turbines of this type, is made and we study the effects of sudden changes of the wind speed. KEY WORDS Wind energy, Variable Speed Wind turbine, Doubly-fed, Induction machine, Pitch Control, Electric Control

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στο σημείο αυτό, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε θερμά τον καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Αντώνιο Αλεξανδρίδη για την ανάθεση και επίβλεψη αυτής της τόσο ενδιαφέρουσας διπλωματικής εργασίας. Θα θέλαμε, κατόπιν, να ευχαριστήσουμε τον υποψήφιο διδάκτορα Μιχάλη Μπουρδούλη για την πολύτιμη βοήθειά του τόσο στην κατανόηση και την οργάνωση του υλικού, όσο και στην προσομοίωση σε περιβάλλον MATLAB/Simulink.

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΚΑΙ Η ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥ... 4 ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ..7 ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΤΟΥ ΚΙΟΤΟ 11 ΟΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ...13 ΒΙΟΜΑΖΑ..16 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ.20 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 25 ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 33 ΠΑΛΙΡΡΟΙΑ..36 ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ.41 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ..47 ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΑΠΕ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΕΜΠΟΔΙΑ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ..66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΑΝΕΜΟΣ.68 ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ.71 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ.77 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟΥ ΚΑΙ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ ΑΞΟΝΑ.82 ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΟΙ ΤΥΠΟΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 87 ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ.87 ΑΣΥΓΧΡΟΝΕΣ Ή ΕΠΑΓΩΓΙΚΕΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ..89 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 93

7 ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ 116 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ.129 ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΙΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ.150 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΑΚΤΥΛΙΟΦΟΡΟΥ ΔΡΟΜΕΑ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ..159 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΒΑΣΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ..160 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ.165 ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΤΑΣΕΩΝ ΑΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΚΑΙ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ 167 ΙΣΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ 171 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ 176 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ DFIG..180 MEIONEKTHMATA DFIG..181 ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ 181 ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ PARK.185 MONΤΕΛΟ d q ΗΛΕΚΤΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ..192 ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΤΗΝ ΠΛΕΥΡΑ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ.205 ΜΕΘΟΔΟΙ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ 217 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ/ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ MATLAB/SIMULINK

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ. 223 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 239

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ~ 1 ~

10 ΕΝΕΡΓΕΙΑ Οι αρχαίοι Έλληνες φιλόσοφοι αναζήτησαν τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται ο κόσμος και προσπάθησαν να ερμηνεύσουν τις μεταβολές που συμβαίνουν στη φύση. Ο Αριστοτέλης πίστευε ότι ο κόσμος συγκροτείται από τέσσερα στοιχεία, τη φωτιά, το νερό, τη γη και τον αέρα. Από αυτά το «πυρ», δηλαδή η φωτιά, συμβόλιζε τις συνεχείς αλλαγές που βλέπουμε γύρω μας. Ο Ηράκλειτος θεωρούσε ότι μόνο το πυρ είναι το πρωταρχικό στοιχείο από το οποίο γεννιούνται όλα τα όντα και σε αυτό επανέρχονται. Το πυρ δε χάνεται, αλλά παίρνει κάθε τόσο διαφορετικές μορφές και περνάει από διάφορες καταστάσεις. Όλα τα υπόλοιπα αλλάζουν: «τα πάντα ρει». Έτσι, για πρώτη φορά στην ιστορία εμφανίζεται η αντίληψη της διατήρησης ενός μεγέθους (πυρ) το οποίο μπορεί να αλλάζει μορφές, αλλά τελικά διατηρείται. Η παραπάνω άποψη του Ηράκλειτου επανήλθε στο προσκήνιο τον 17ο αιώνα με την εισαγωγή μιας καινούριας για την εποχή αυτή έννοιας: της ενέργειας. Ο όρος χρησιμοποιήθηκε αρχικά από τον Γαλιλαίο, χωρίς όμως επιστημονικό ορισμό. Η ρίζα της λέξης είναι αρχαιοελληνική από το εν (μέσα) και έργο, δηλαδή σημαίνει την εσωτερική ικανότητα κάποιου να παράγει έργο. Μόλις όμως πριν από 200 περίπου χρόνια η έννοια απέκτησε επιστημονικό περιεχόμενο. Οι φυσικοί αξιοποιώντας την έννοια της ενέργειας κατάφεραν να περιγράψουν με ενιαίο τρόπο φαινόμενα, όπως τα κινητικά, τα θερμικά, τα ηλεκτρικά, τα φωτεινά, τα ηχητικά και τα χημικά, τα οποία ως τότε αντιμετωπίζονταν ως ανεξάρτητα μεταξύ τους. Στις αρχές του εικοστού αιώνα, η έννοια της ενέργειας αποτέλεσε τη βάση για να διατυπωθούν δύο από τις σύγχρονες φυσικές θεωρίες: η θεωρία της σχετικότητας και η κβαντική θεωρία και εξελίχθηκε σε κεντρική ενοποιητική έννοια της γλώσσας που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να περιγράψουν τα φαινόμενα που μελετά η επιστήμη της φυσικής. Επιπλέον, η ενέργεια είναι η έννοια που συνδέει τη φυσική με τις άλλες φυσικές επιστήμες και την τεχνολογία. Σήμερα όλοι είμαστε εξοικειωμένοι με την έννοια της ενέργειας. Ενέργεια με τη μορφή της ακτινοβολίας έρχεται στη γη από τον ήλιο, περιέχεται στις τροφές που τρώμε και διατηρεί τη ζωή. Παρόλο που η ενέργεια είναι η πιο διαδεδομένη έννοια στις φυσικές επιστήμες, ο ορισμός της είναι ιδιαίτερα δύσκολος. Η χρήση ενεργειακών πηγών χαρακτηρίζει τις ανθρώπινες κοινωνίες πολύ πριν την εμφάνιση των βιομηχανικών κοινωνιών. Αρχικά, η φωτιά χρησιμοποιήθηκε για ζεστασιά, για φωτισμό και για μαγείρεμα της τροφής. Αργότερα χρησιμοποιήθηκε για την επεξεργασία των μετάλλων, την κατασκευή αγγείων. Επίσης τα ζώα χρησιμοποιήθηκαν για την έλξη στην αγροτική παραγωγή, ο αέρας χρησιμοποιήθηκε για την κίνηση των πλοίων αλλά και για την κίνηση των ανεμόμυλων. Οι φυσικές δυνάμεις χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια πολλών αιώνων στις μεταφορές και στην παραγωγή. ~ 2 ~

11 Η ενέργεια αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα αγαθά της σύγχρονης κοινωνίας. Για την πλειονότητα του κόσμου η ενέργεια είναι απαραίτητη για την εκπλήρωση των βασικών αναγκών. Ο τρόπος ζωής μας εξαρτάται απόλυτα από την εύκολα διαθέσιμη ενέργεια Οι άνθρωποι για τις καθημερινές τους ανάγκες χρησιμοποιούν όλο και περισσότερο ηλεκτρικές συσκευές ηλεκτρική κουζίνα, ψυγείο, ηλεκτρονικός υπολογιστής, ραδιόφωνο, τηλεόραση κ.ά. Μεγάλος αριθμός ηλεκτρικών μηχανών χρησιμοποιούνται και στη βιομηχανία. Η ενέργεια κρατά τα εργοστάσια και τις πόλεις σε λειτουργία, προσφέροντας θέσεις εργασίας σε εκατομμύρια ανθρώπους. Η λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών απαιτεί ηλεκτρικό ρεύμα. Οι σύγχρονες κοινωνίες καταναλώνουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας για τη θέρμανση χώρων, τα μέσα μεταφοράς, την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και για τη λειτουργία των βιομηχανικών μονάδων. Χρειαζόμαστε ενέργεια για να ζεστάνουμε, να δροσίσουμε, να φωτίσουμε το σπίτι μας, όπως επίσης για την επεξεργασία της τροφής μας. Η ενέργεια τροφοδοτεί τα αυτοκίνητά μας και τα άλλα μέσα μεταφοράς. Ενέργεια χρειάζονται οι βιομηχανίες μας, τα γραφεία μας, και οι άλλοι χώροι εργασίας μας. Η ενέργεια επίσης συνδέεται με το βιοτικό επίπεδο. Μπορούμε να βελτιώσουμε το επίπεδο ζωής μας αν έχουμε ενέργεια να καταναλώσουμε. Το ηλεκτρικό φως παρέχει τη δυνατότητα να παρατείνουμε τις εργάσιμες ημέρες, το καύσιμο ντίζελ κινητοποιεί βαριά μηχανήματα για την κατασκευή δρόμων, την κατασκευή κτιρίων ή βοηθά στη γεωργία. Με αρκετή ενέργεια τα εργοστάσια μπορούν να παράγουν καταναλωτικά αγαθά και τα φορτηγά που λειτουργούν με ορυκτά καύσιμα μπορούν να τα μεταφέρουν. Όπου η ενέργεια είναι δυσεύρετη, αν και είναι κάτι που θεωρούμε δεδομένο, είναι και ακριβή - προνόμιο των πλουσίων. Και το αντίστροφο είναι επίσης αλήθεια: μια χώρα που μπορεί να διαθέσει περισσότερη ενέργεια στον πληθυσμό της μπορεί να βελτιώσει γενικά την ποιότητα ζωής των κατοίκων της Σήμερα στις βιομηχανικές κοινωνίες μας σχεδόν όλη αυτή η ενέργεια παράγεται κύρια από ορυκτά καύσιμα πετρέλαιο αγοράς και φυσικό αέριο και σε μικρότερο βαθμό από την πυρηνική ενέργεια. Τα ορυκτά καύσιμα, σήμερα φαίνονται να είναι άφθονα, φθηνά και άμεσα διαθέσιμα. Η ευκολία με την οποία χρησιμοποιούμε τις ηλεκτρικές μας συσκευές, πχ. με το πάτημα ενός διακόπτη ανάβει το φως, και η αφθονία αυτών μας οδηγούν στο να μη δίνουμε σημασία στον τρόπο παραγωγής όλης αυτής της ενέργειας, ή τις επιπτώσεις που όλη η διαδικασία έχει στο περιβάλλον και στον άνθρωπο. ~ 3 ~

12 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΚΑΙ Η ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥ Το ενεργειακό πρόβλημα είναι ένα από τα σημαντικότερα και πολυπλοκότερα παγκόσμια προβλήματα. Αντίθετα απ ό,τι πιστεύεται, το ενεργειακό πρόβλημα δεν εκδηλώθηκε και πολύ περισσότερο δεν δημιουργήθηκε το 1973 με τη γνωστή κρίση του πετρελαίου. Το ενεργειακό πρόβλημα άρχισε να δημιουργείται και να εκδηλώνεται ταυτόχρονα με την αλλαγή του κύριου καυσίμου από άνθρακα σε πετρέλαιο, που έγινε μετά τα μέσα του 19ου αιώνα. Μέχρι την εποχή εκείνη, η πηγή της κύριας καύσιμης ύλης (άνθρακας) βρισκόταν στις κυρίαρχες και οικονομικά αναπτυγμένες χώρες. Αντίθετα, η πηγή της νέας κύριας καύσιμης ύλης (πετρέλαιο) βρισκόταν στις αποικίες ή σε χώρες εξαρτημένες, όπως ήταν την εποχή εκείνη η Οθωμανική Αυτοκρατορία. Την εποχή εκείνη οι αποικίες και οι εξαρτημένες χώρες άλλαξαν ρόλο και απέκτησαν πολύ μεγαλύτερη σημασία για τις αναπτυγμένες χώρες, επειδή έπαψαν πλέον να είναι μόνον απλά αγροτικά εξαρτήματά τους. Επιπλέον, οι οικονομικά αναπτυγμένες χώρες άρχισαν να αισθάνονται ενεργειακά εξαρτημένες από τις αποικίες και από τις χώρες που ήταν υπό την προστασία τους. Εξαιτίας όλων αυτών, άρχισε ο μακροχρόνιος αιματηρός αγώνας για την αναδιανομή των αποικιών, ανάμεσα στις οικονομικά αναπτυγμένες χώρες, το διαμελισμό των εξαρτημένων χωρών και την αύξηση των σφαιρών επιρροής, γενικότερα. Αποκαλυπτικός υπήρξε ο ρόλος της Μεγάλης Βρετανίας. Μέχρι τα μέσα του 19ου αιώνα η Μεγάλη Βρετανία πρωτοστατούσε στη διατήρηση της ακεραιότητας της Οθωμανικής Αυτοκρατορίας, ώστε να αποτραπεί η κάθοδος της τσαρικής Ρωσίας στη Μεσόγειο. Όμως, στη συνέχεια, μετά την αλλαγή του κύριου καυσίμου από άνθρακα σε πετρέλαιο, η Μεγάλη Βρετανία πρωτοστάτησε στο διαμελισμό της. Άρχισε με την αγορά της Κύπρου, χωρίς την καταβολή τιμήματος, και συνέχισε με τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο. Το τέλος αυτού του πολέμου βρήκε τη Μεγάλη Βρετανία κυρίαρχη των πηγών πετρελαίου της Αραβικής χερσονήσου και του Ιράκ. Από την ανάλυση που προηγήθηκε, δεν είναι δύσκολο να κατανοήσει κανείς ότι όλες οι μεγάλες πολεμικές συρράξεις, οι πολιτικές και οικονομικές κρίσεις του 20ού αιώνα είχαν ως κύρια αιτία το πετρέλαιο και τον έλεγχο των πηγών του. Έτσι, μια από τις βασικές συνέπειες του ενεργειακού προβλήματος είναι οι κατά καιρούς πολιτικοί, οικονομικοί και πολεμικοί ανταγωνισμοί. Στις μέρες μας, οι ανταγωνισμοί αυτοί εντείνονται, επειδή διαφαίνεται η εξάντληση των αποθεμάτων σε πετρέλαιο. Δεν αρκεί πλέον ο έλεγχος των πηγών, αλλά επιβάλλεται και η φύλαξή τους, ώστε να αποτραπεί η ανεξέλεγκτη διαχείριση των αποθεμάτων, που μπορεί να έχει σημαντικές συνέπειες στην ισορροπία του παγκόσμιου οικονομικού συστήματος. Κάτω απ αυτό το πρίσμα μπορεί να αιτιολογηθεί ο πρόσφατος πόλεμος στον Περσικό Κόλπο και η παραμονή στρατευμάτων στην περιοχή. ~ 4 ~

13 Μπορούμε να λοιπόν να πούμε με λίγα λόγια ότι η ουσία του ενεργειακού προβλήματος βρίσκεται στη συσχέτιση των ενεργειακών αποθεμάτων που διαρκώς μειώνονται με τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας που διαρκώς αυξάνονται. Παρουσιάζει τα εξής χαρακτηριστικά ανεξαρτήτως τόπου και χρονικής στιγμής: Άνοδος στις τιμές ενέργειας. Η τιμή του πετρελαίου και γενικότερα των καυσίμων αυξάνουν ραγδαία με το χρόνο. Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι η ενέργεια έχει ένα επιπλέον κόστος που προς το παρόν παραμένει κρυφό και καλύπτεται από τους κρατικούς προϋπολογισμούς, χωρίς να επιρρίπτεται άμεσα στο καταναλωτικό κοινό. Το κρυφό κόστος της ενέργειας αναφέρεται στο κόστος της φύλαξης των πηγών καυσίμου και στο κόστος της αποκατάστασης των καταστροφών του περιβάλλοντος που προκαλεί η κατανάλωση των καυσίμων. Εκτιμάται ότι η φύλαξη και η αποκατάσταση των καταστροφών του περιβάλλοντος, επιβαρύνει το κόστος κάθε βαρελιού πετρελαίου, που προέρχεται από τη Μέση Ανατολή, με το ποσό των 50$. Μόλυνση του περιβάλλοντος Προκαλείται από την αλόγιστη χρήση ενέργειας. Η κακή ποιότητα των μηχανών, η αδιαφορία, η άγνοια, τα κακώς εννοούμενα συμφέροντα και πολλοί άλλοι παράγοντες έχουν οδηγήσει σε δραματικά οικολογικά αδιέξοδα, που επιβάλλεται να αντιμετωπιστούν αμέσως. Η κύρια επιβλαβής επίδραση στο περιβάλλον της χρήσης των ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας είναι η αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) στην ατμόσφαιρά που έχει ως αποτέλεσμα την υπερθέρμανση του πλανήτη. Με την καύση των ορυκτών καυσίμων, εκτός από το διοξείδιο του άνθρακα, απελευθερώνονται και άλλες επιβλαβείς ουσίες στην ατμόσφαιρα όπως νιτρικά, θειϊκά ή ανθρακικά οξέα τα οποία είναι υπεύθυνα για τον σχηματισμό όξινης βροχής. Πολλές χώρες του κόσμου έχουν ήδη συνειδητοποιήσει την επείγουσα ανάγκη για καθαρή παραγωγή ενέργειας, χωρίς δηλαδή πρόκληση ρύπανσης, και βασίζουν την παραγωγή τους σε ηλεκτρισμό ολοένα και περισσότερο στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Όμως, αυτές αποτελούν ακόμη μεμονωμένα λαμπρά παραδείγματα. Οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες στο σύνολό τους παραμένουν έντονα επιβαρυντικές για το περιβάλλον. Συνεχόμενη αύξηση της παγκόσμιας ενεργειακής κατανάλωσης με αποτέλεσμα την αβεβαιότητα επάρκειας ενεργειακής τροφοδοσίας, αφού τα ορυκτά καύσιμα εξαντλούνται. Η παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση αυξάνεται διαρκώς με αποτέλεσμα την ανάγκη για παραγωγή μεγαλύτερων ποσοτήτων ενέργειας. Σύμφωνα με μελέτη του Οργανισμού Ηνωμένων Εθνών, το έτος 2011 ο παγκόσμιος πληθυσμός έφτανε τα ~ 5 ~

14 6,974 δισεκατομμύρια ενώ οι προβλέψεις θέλουν να προσεγγίζει τα 9 δισεκατομμύρια το έτος Το έτος 2010 ο ΟΗΕ έδωσε στοιχεία για την αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού με ρυθμό 1,14% ή περίπου 75 εκατομμύρια άνθρωποι ανά έτος, μετά από ένα μέγιστο 88 εκατομμυρίων ανά έτος το 1989, ωστόσο, ο παγκόσμιος ετήσιος ρυθμός στην αύξηση του πληθυσμού μειώνεται σταθερά από το μέγιστο 2,19% του έτους Οι σημερινές προβλέψεις δείχνουν ότι αν οι τρέχουσες ενεργειακές τάσεις παραμείνουν αμετάβλητες η παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση θα αυξάνεται με ρυθμό περίπου 4% το χρόνο στις επόμενες δεκαετίες. Κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα, η χρήση ορυκτών καυσίμων στον κόσμο πολλαπλασιάστηκε επί 12 και η εξόρυξη υλικών πόρων επί 34. Στην διαμόρφωση της κατάστασης αυτής συνέβαλε η έλλειψη ενημέρωσης των πολιτών σχετικά με την ορθολογική χρήση της ενέργειας και η επικράτηση της άποψης ότι τα αποθέματα ενέργειας είναι απεριόριστα. Μόλις πριν από λίγα χρόνια έγινε αντιληπτό το μέγεθος της κατασπατάλησης των διαθέσιμων ενεργειακών πόρων του πλανήτη από το γεγονός ότι η ανθρωπότητα έχει δαπανήσει τα τελευταία 100 χρόνια, αποθέματα πρώτων υλών και πηγών ενέργειας, τα οποία αποταμιεύτηκαν σε μια μεγάλη χρονική περίοδο. Δεν θα ήταν υπερβολή να λέγαμε ότι η ενέργεια που σήμερα αντλείται αξιοποιείται σε ποσοστό μικρότερο από 20%. Το υπόλοιπο 80% στην κυριολεξία πετιέται μετατρεπόμενο σε απώλειες (θερμότητα). Αν μπορούσαμε να μειώσουμε τις απώλειες στο 25% (ή ακόμα και στο 50%), θα είχαμε ουσιαστικά πετύχει τον τριπλασιασμό (διπλασιασμό) των ενεργειακών αποθεμάτων του πλανήτη που σήμερα εκμεταλλευόμαστε. Βρισκόμαστε δηλαδή αντιμέτωποι με το πρόβλημα της εξάντλησης των ενεργειακών αποθεμάτων του πλανήτη. Η εξοικονόμηση ενέργειας, λοιπόν, αποτελεί το πρώτο μεγάλο βήμα για την ορθή αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος. Πρέπει να εξαντλήσουμε τη δημιουργική μας φαντασία, ώστε να βελτιώσουμε το συντελεστή απόδοσης όλων των συσκευών, μηχανών και διατάξεων που μετατρέπουν την ενέργεια από τη μια μορφή στην άλλη. Σήμερα, το επίπεδο της επιστήμης και της τεχνολογίας το επιτρέπουν. Άλλωστε, όσο κι αν φαίνεται παράξενο, δεν έχουμε παρά να διορθώσουμε χονδροειδέστατα λάθη και αβλεψίες που έγιναν στο παρελθόν, όταν οι άνθρωποι ήταν ανυποψίαστοι για τις επιπτώσεις των ενεργειών τους. Τα οφέλη από την εξοικονόμηση ενέργειας θα είναι αμέσως ορατά. Για παράδειγμα, μπορούμε να φωτίζουμε εξίσου καλά τους χώρους μας καταναλώνοντας μόνο το ένα τρίτο της ενέργειας που ξοδεύουμε σήμερα, αρκεί να αντικαταστήσουμε στα σπίτια μας και στους δρόμους τους λαμπτήρες με λαμπτήρες υψηλής απόδοσης. Αυτή η πράξη θα αποφέρει την εξοικονόμηση μεγάλων ποσών ενέργειας. Έτσι, αντί να εισάγουμε ηλεκτρική ενέργεια ή αντί να επενδύουμε για τη δημιουργία νέων μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, μπορούμε να χρηματοδοτήσουμε ένα πρόγραμμα αντικατάστασης των ηλεκτρικών λαμπτήρων. Η εξοικονόμηση ενέργειας είναι μια εξαιρετικά ευέλικτη διαδικασία. Μπορεί να εφαρμοστεί ανά πάσα χρονική στιγμή και με οποιοδήποτε ρυθμό επιτρέπει η υπάρχουσα οικονομική κατάσταση και ο βαθμός κατανόησης του προβλήματος. Είναι ~ 6 ~

15 μια προσπάθεια από την οποία κανείς δεν χάνει ποτέ. Αυτό που χρειάζεται είναι η ενθάρρυνσή της από τις κυβερνήσεις και γενικά από τους πολιτικούς και η ενημέρωση του κοινού, ιδιαίτερα μέσα από τη γενική εκπαίδευση. Βέβαια, όσο ευέλικτη κι αν είναι η εξοικονόμηση ενέργειας, οι καιροί δεν περιμένουν και τα προγράμματα για εξοικονόμηση ενέργειας πρέπει να προωθηθούν όσο το δυνατό γρηγορότερα. Η εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί το ενδιαφέρον με την αξιοποίηση των λεγόμενων ήπιων μορφών ενέργειας. Η ενέργεια από τον ήλιο, τον αέρα, τη βιομάζα και άλλες πηγές δεν έχουν τα προβλήματα των συμβατικών πηγών ενέργειας που χρησιμοποιεί ο άνθρωπος. Θεωρείται ότι δεν προκαλούν εξαρτήσεις, είναι πρακτικά ανεξάντλητες και ανανεώσιμες και οικολογικά καθαρές. Οι ήπιες μορφές ενέργειας φαίνεται να ικανοποιούν όλες τις απαιτήσεις, ώστε να αποτελέσουν τις κύριες πηγές ενέργειας του μέλλοντος. ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Είναι γνωστό ότι το κλίμα διαμορφώνει την ιστορία. Επηρέασε καθοριστικά τις πιο βασικές δραστηριότητες του ανθρώπου την εύρεση τροφής και στέγης και επέβαλλε το πλαίσιο για την ανάπτυξη του πολιτισμού. Στις ακραίες εκφράσεις του, καταδίκασε ολόκληρες κοινωνίες σε παρακμή, ενώ στη γενναιόδωρη εκδοχή του επέτρεψε σε άλλες κοινωνίες και πολιτισμούς να ανθίσουν. Τελικά, η προσαρμογή της διαδικασίας εξέλιξης στο κλίμα βοήθησε τον άνθρωπο να επιβιώσει τις καταπονήσεις στα ακραία περιβάλλοντα στα οποία ζει. Φαίνεται ότι η ανάπτυξη πολλών διαφορετικών φυλών συνδέεται με τη διαδικασία επιλογής και προσαρμογής του ανθρώπου στο κλίμα και στο περιβάλλον που αυτό δημιουργεί. Το κλίμα της γης αλλάζει συνεχώς. Βιώνοντας μόνο μια πολύ μικρή πράξη του έργου, δυσκολευόμαστε πολλές φορές να αντιληφθούμε τις μεγάλες αλλαγές του κλίματος της γης το οποίο χαρακτηρίζεται από πολλές περιόδους παγετώνων, οι οποίες διακόπτονται από σύντομα διαλείμματα ζέστης και ακμάζουσας ζωής. Οι κάτοικοι της Ευρώπης και της Βόρειας Αμερικής, ζώντας στην πλειοψηφία τους σε ένα εύκρατο κλίμα, δεν μπορούν εύκολα να παραδεχθούν ότι μόλις πριν από χρόνια τεράστιες εκτάσεις των περιοχών αυτών καλύπτονταν από πάγους. Από την άλλη μεριά, στη βορειοδυτική Ινδία, τίποτα δε μαρτυράει ότι η ίδια περιοχή, στον οποία κυριαρχούν σήμερα οι αμμόλοφοι, χαρακτηριζόταν πριν από χρόνια από το χυμώδες πράσινο των δέντρων και των δημητριακών. Αυτή η εικόνα επικρατούσε στην περιοχή πριν το κλίμα αλλάξει και οι μουσώνες αναιρέσουν τις υποσχέσεις τους στον πολιτισμό της κοιλάδας του Ινδού. ~ 7 ~

16 Το παγκόσμιο κλίμα καθορίζεται και επηρεάζεται από μια σειρά φυσικών δυνάμεων, όπως, μεταξύ άλλων, τη γωνία του άξονα της γης ως προς την ηλιακή ακτινοβολία, την ηφαιστειακή και ευρύτερη γεωτεκτονική δραστηριότητα, τα θαλάσσια ρεύματα, τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των ωκεανών (π.χ. οξύτητα), αλλά κυρίως από την ανθρώπινη δραστηριότητα. Ένας επιπλέον σημαντικός φυσικός κλιματικός μηχανισμός είναι το φαινόμενο του θερμοκηπίου, ο κατεξοχήν παράγοντας που επιτρέπει την ανάπτυξη και την επιβίωση της ζωής στον πλανήτη μας. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι μια διαδικασία με την οποία θερμική ακτινοβολία από την επιφάνεια του πλανήτη απορροφάται από τα αέρια θερμοκηπίου της ατμόσφαιρας, και εκ νέου ακτινοβολείται προς όλες τις κατευθύνσεις. Δεδομένου ότι ένα μέρος αυτής της ακτινοβολίας επιστρέφει πίσω προς την επιφάνεια του πλανήτη και τα στρώματα της κατώτερης ατμόσφαιρας, αυτό οδηγεί σε μια ανύψωση της μέσης θερμοκρασίας της επιφάνειας πάνω από αυτή που θα ήταν σε περίπτωση απουσίας των αερίων του θερμοκηπίου. Πρόκειται για ένα γεωφυσικό φαινόμενο που είναι ουσιώδες και απαραίτητο για την ύπαρξη, διατήρηση και εξέλιξη της ζωής στον πλανήτη. Η γη λαμβάνει ενέργεια από τον ήλιο με τη μορφή υπεριώδους, ορατής και υπέρυθρης ακτινοβολίας, που αντιστοιχεί σε ροή περίπου 1966 W/m 2 στο όριο της ατμόσφαιρας. Ένα μέρος αυτής απορροφάται από το σύστημα γης - ατμόσφαιρας, ενώ το υπόλοιπο διαφεύγει στο διάστημα. Από το συνολικό ποσό ενέργειας που είναι διαθέσιμο στα υψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας, περίπου το 50% απορροφάται από την επιφάνεια της γης. Λόγω της θερμοκρασίας της, η επιφάνεια της γης εκπέμπει μακριά (κατ ανάλογο τρόπο με τον ήλιο) την υπέρυθρη θερμική ακτινοβολία η οποία αποτελείται κυρίως από μήκη κύματος πολύ μεγαλύτερα από τα μήκη κύματος τα οποία απορροφώνται. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της θερμικής ακτινοβολίας απορροφάται από τα αέρια του θερμοκηπίου της ατμόσφαιρας και ακτινοβολείται ξανά προς όλες τις κατευθύνσεις, πίσω στο διάστημα και προς την επιφάνεια της γης. Η ακτινοβολία που εκπέμπεται προς την επιφάνεια της γης απορροφάται από αυτήν. Αυτή η «παγίδευση» της μεγάλου μήκους κύματος θερμικής ακτινοβολίας οδηγεί σε αύξηση της μέσης επιφανειακής θερμοκρασίας της γης, γεγονός που καθιστά τη γη κατοικήσιμη. Χωρίς το φαινόμενο του θερμοκηπίου, η μέση θερμοκρασία της γης θα ήταν περίπου κατά 33 ο C χαμηλότερη δηλαδή περίπου - 18 ο C, αντί για +15 ο C που είναι σήμερα και η ύπαρξη ζωής θα ήταν αδύνατη, τουλάχιστον στη μορφή που τη γνωρίζουμε σήμερα. Τα κυριότερα αέρια του θερμοκηπίου και η αντίστοιχη συμβολή τους στο φαινόμενο είναι: υδρατμοί (36% - 70%), διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) (9% - 26%), μεθάνιο (CH 4 ) (4% - 9%) και όζον (O 3 ) (3% - 7%). Άλλα αέρια του θερμοκηπίου με μικρότερη επιρροή στο φαινόμενο είναι το υποξείδιο του αζώτου (N 2 Ο), οι υδροχλωροφθοράνθρακες (HCFCs) οι υπερφθοράνθρακες (PFCs), οι υδροφθοράνθρακες (HFCs) και το εξαφθοριούχο θείο (SF 6 ). Tα σύννεφα, επίσης, ~ 8 ~

17 παίζουν καθοριστικό ρόλο στο φαινόμενο του θερμοκηπίου καθώς απορροφούν και εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία. Στο σχήμα που ακολουθεί, επιχειρείται μία γραφική αναπαράσταση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Σχηματική παράσταση της διαδικασίας που οδηγεί στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Τα τελευταία χρόνια πληθαίνουν οι ενδείξεις ότι οι ανθρωπογενείς εκπομπές ρυπογόνων ουσιών στην ατμόσφαιρα ωθούν το κλίμα σε μια νέα κατάσταση αστάθειας.. Σύμφωνα με την τελευταία έκθεση αξιολόγησης από την Διακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή, «το μεγαλύτερο μέρος της παρατηρούμενης αύξησης των μέσων παγκόσμιων θερμοκρασιών από τα μέσα του 20ου αιώνα, οφείλεται στην αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου που προέρχονται από την ανθρώπινη δραστηριότητα». Το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων και άλλες δραστηριότητες, όπως η παραγωγή τσιμέντου και η αποψίλωση των τροπικών δασών. Οι μετρήσεις του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) από το παρατηρητήριο Mauna Loa δείχνουν ότι οι συγκεντρώσεις έχουν αυξηθεί από περίπου 313 ppm που ήταν το 1960 σε περίπου 400ppm στις 9 Μαΐου του Το δεκατέσσερα θερμότερα έτη, από την εποχή που ξεκίνησαν οι μετρήσεις, συνέβησαν μετά το Τα τελευταία χρόνια σημαδεύτηκαν από ασυνήθιστα ακραία φαινόμενα σε όλο τον κόσμο. Η μέση στάθμη της θάλασσας έχει ανέβει τα τελευταία 140 χρόνια περίπου 15 20cm. Οι μετρήσεις ~ 9 ~

18 δείχνουν ότι η παγκόσμια θερμοκρασία αυξήθηκε κατά περίπου 0,4 o C 0,7 o C από το 1860 μέχρι σήμερα και αν δεν προχωρήσουμε άμεσα στη λήψη μέτρων για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής, θα οδηγηθούμε σε αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της γης για τα επόμενα 100 χρόνια από 2 o C έως και 6 ο C. Συνοψίζοντας, οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής και του φαινομένου του θερμοκηπίου είναι οι ακόλουθες: Λιώσιμο των πάγων και άνοδος της στάθμης της θάλασσας, που συνεπάγεται την εξαφάνιση από το χάρτη αρκετών παραθαλάσσιων περιοχών. Εντονότερα ακραία καιρικά φαινόμενα. Εξάπλωση ασθενειών. Εξαφάνιση ειδών. Εμφάνιση μόνιμων «κλιματικών προσφύγων». ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΤΟΥ ΚΙΟΤΟ Οι πρώτοι που άρχισαν να κρούουν τον κώδωνα του κινδύνου για την κλιματική μεταβολή που οφείλεται σε ανθρωπογενείς αιτίες ήταν οι επιστήμονες. Στοιχεία από τις δεκαετίες του 1960 και 1970 έδειχναν ότι οι συγκεντρώσεις του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) στην ατμόσφαιρα αυξάνονταν σημαντικά, γεγονός που οδήγησε τους περιβαλλοντολόγους αρχικά και στη συνέχεια και άλλους επιστήμονες να πιέσουν για δράση. Δυστυχώς, πήρε πολλά χρόνια στη διεθνή κοινότητα για να ανταποκριθεί στο αίτημα αυτό. Το 1988, δημιουργήθηκε από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Μετεωρολογίας και το Περιβαλλοντικό Πρόγραμμα των Ηνωμένων Εθνών (UNEP) μία Διακυβερνητική Επιτροπή για την Αλλαγή του Κλίματος. Αυτή η ομάδα παρουσίασε μια πρώτη έκθεση αξιολόγησης το 1990, η οποία απεικόνιζε τις απόψεις 400 επιστημόνων. Σύμφωνα με την αναφορά αυτή, το πρόβλημα της αύξησης της θερμοκρασίας ήταν υπαρκτό και όφειλε να αντιμετωπιστεί άμεσα. Τα συμπεράσματα της Διακυβερνητικής Επιτροπής ώθησαν τις κυβερνήσεις να δημιουργήσουν τη Σύμβαση - Πλαίσιο των Ηνωμένων Εθνών για τις Κλιματικές Μεταβολές (UNFCCC). Σε σχέση με τα δεδομένα για τις διεθνείς συμφωνίες, η διαπραγμάτευση της Σύμβασης ήταν σχετικά σύντομη. Ήταν έτοιμη προς υπογραφή στη Διάσκεψη των Ηνωμένων Εθνών για το Περιβάλλον και την Ανάπτυξη (γνωστότερη ως συνάντηση κορυφής για την προστασία της Γης) το 1992 στο Ρίο ντε Τζανέιρο. Η Σύμβαση - Πλαίσιο των Ηνωμένων Εθνών για την αλλαγή του κλίματος, καθώς και το Πρωτόκολλο του Κιότο που ακολούθησε, αποτελούν τα μόνα διεθνή πλαίσια για την καταπολέμηση των κλιματικών αλλαγών. ~ 10 ~

19 Το Πρωτόκολλο του Κιότο πήρε το όνομά του από την παλιά πρωτεύουσα της Ιαπωνίας το Κιότο, όπου υπογράφτηκε το 1997 και προέκυψε από τη Διεθνή Σύμβαση για τις κλιματικές αλλαγές, που είχε υπογραφεί στη Διάσκεψη του Ρίο το Πρόκειται για μία φιλόδοξη όσο και περίπλοκη συμφωνία 168 χωρών, με δεσμευτικό χαρακτήρα, η οποία υιοθετήθηκε στις 11 Δεκεμβρίου 1997, ύστερα από μαραθώνιες διαπραγματεύσεις που κράτησαν 11 μέρες, στην οποία περιλαμβάνονται τα απαραίτητα βήματα για τη μακροπρόθεσμη αντιμετώπιση της αλλαγής του κλίματος που προκαλείται λόγω της αύξησης των ανθρωπογενών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Σύμφωνα με αυτό, οι βιομηχανικές χώρες συνολικά υποχρεούνται να μειώσουν τις εκπομπές των αερίων του φαινομένου του θερμοκηπίου κατά 5,2% κατά μέσο όρο σε σχέση µε τα επίπεδα του 1990 (ή του 1995 για ορισμένα αέρια), κατά τη διάρκεια της πρώτης «περιόδου δέσμευσης», η οποία καλύπτει τα έτη 2008 έως Για τις αναπτυσσόμενες χώρες δεν καθορίζονται στόχοι ως προς τις εκπομπές. Αυτό επιχειρείται να γίνει με τον πιο οικονομικά αποδοτικό τρόπο, ώστε να μην επιβαρυνθεί η παγκόσμια οικονομία. Έτσι, το Πρωτόκολλο του Κιότο περιλαμβάνει τρεις ευέλικτους μηχανισμούς: Εμπόριο Δικαιωμάτων Εκπομπών Αερίων του Θερμοκηπίου Το Πρωτόκολλο του Κιότο διαθέτει μηχανισμό «εμπορίου εκπομπών». Η εθνική υποχρέωση για μείωση των εκπομπών σύμφωνα με το Πρωτόκολλο καθορίζεται με βάση ένα εθνικό ανώτατο όριο εκπομπών. Αν μια χώρα δεν εκπέμψει εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου που να φθάνουν το ανώτατο όριο εκπομπών που της αναλογεί, μπορεί να πουλήσει το αχρησιμοποίητο μέρος των εκπομπών της σε κάποια άλλη χώρα που έχει ξεπεράσει το δικό της επιτρεπτό ανώτατο όριο εκπομπών. Μηχανισμοί Καθαρής Ανάπτυξης (Clean Development Mechanisms - CDM) Νέο οικονομικό όργανο που απορρέει από το Πρωτόκολλο του Κιότο, οι Μηχανισμοί Καθαρής Ανάπτυξης προκαλούν το ενδιαφέρον ως εργαλείο για την προώθηση των τεχνολογιών του μέλλοντος. Οι CDM προτάθηκαν από τις εκβιομηχανισμένες χώρες ως μέσο για την εκπλήρωση -με μεγαλύτερη ευελιξία- των συνολικών υποχρεώσεων τους στο πλαίσιο του Πρωτοκόλλου του Κιότο. Έτσι, μια βιομηχανικά αναπτυγμένη χώρα, εκτός από την προσπάθεια μείωσης των εκπομπών στο εσωτερικό της, μπορεί να βοηθήσει στη μείωση των εκπομπών σε κάποια φτωχότερη χώρα. Οι μειώσεις που επιτυγχάνονται με αυτόν τον τρόπο και οι μειώσεις που προέρχονται από εγχώριες πολιτικές και μέτρα συμψηφίζονται και προσμετρούνται προς την επίτευξη του στόχου της βιομηχανοποιημένης χώρας. Στην αναπτυσσόμενη χώρα μένουν τα οφέλη της επένδυσης, όπως η χρήση τεχνολογιών και η μείωση των ρύπων. Κοινή Υλοποίηση (Joint Implementation - JI) ~ 11 ~

20 Οι ανεπτυγμένες χώρες και οι χώρες που η οικονομία τους βρίσκεται σε μεταβατικό στάδιο μπορούν να εφαρμόσουν από κοινού προγράμματα μείωσης της εκπομπής αερίων θερμοκηπίου στο έδαφος της μιας χώρας και μετά να «μοιραστούν» το αποτέλεσμα αυτών των προγραμμάτων (μείωση εκπομπών) κατά την περίοδο Τα προγράμματα αυτού του είδους καλούνται προγράμματα «από κοινού υλοποίησης» (JI). Στα Παραρτήματα I και II του Πρωτοκόλλου του Κιότο περιλαμβάνονται διάφορα σημαντικά στοιχεία που αφορούν στη λειτουργία των μηχανισμών που προβλέπονται από αυτό προκειμένου να αντιμετωπιστεί η κλιματική αλλαγή. Συγκεκριμένα, στο Παράρτημα I περιλαμβάνονται: τα αέρια που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και συμμετέχουν στους μηχανισμούς του Κιότο. Το Πρωτόκολλο του Κιότο πραγματεύεται τις εκπομπές έξι αερίων του θερμοκηπίου: διοξείδιο του άνθρακα CO 2 (που αποτελεί το σημαντικότερο αέριο) μεθάνιο CH 2 υποξείδιο του αζώτου N 2 O υδροφθοράνθρακες HFC πλήρως φθοριωμένοι υδρογονάνθρακες ή υπερφθοράνθρακες PFC εξαφθοριούχο θείο SF 6 οι τομείς και οι κατηγορίες πηγών που είναι υπεύθυνοι για τα αέρια αυτά και οι οποίοι συμμετέχουν στους μηχανισμούς του Κιότο. Τα συμβαλλόμενα κράτη στο Παράρτημα Ι της σύμβασης, όπως περιγράψαμε και παραπάνω δεσμεύονται συλλογικά να μειώσουν τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου, κατά 5,2%, τουλάχιστον, σε σύγκριση με τα επίπεδα του 1990, την περίοδο Το παράρτημα ΙΙ, ορίζει τις αριθμητικές δεσμεύσεις τις οποίες αναλαμβάνουν τα συμβαλλόμενα κράτη. Στις 31 Μαΐου 2002, η Ευρωπαϊκή Ένωση των τότε 15 κρατών μελών επικύρωσε το πρωτόκολλο του Κιότο. Δεσμεύθηκε έτσι για συνολική μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου κατά 8% την περίοδο Το πρωτόκολλο ετέθη σε ισχύ στις 16 Φεβρουαρίου 2005, ύστερα από την υπογραφή του από τη Ρωσία. Αρκετές εκβιομηχανισμένες χώρες αρνήθηκαν να επικυρώσουν το πρωτόκολλο, μεταξύ των οποίων οι Ηνωμένες Πολιτείες που αρνούνται συστηματικά να υπογράψουν το Πρωτόκολλο, παρόλο που αποτελούν τον μεγαλύτερο ρυπαντή παγκοσμίως. Οι Ηνωμένες Πολιτείες λάμπουν δια της απουσίας τους από το Πρωτόκολλο του Κιότο. Ο μεγαλύτερος ρυπαντής του κόσμου αποχώρησε το 2001, όταν ο ~ 12 ~

21 πρόεδρος Μπους αμφισβήτησε την επιστημονική βασιμότητα του φαινομένου του θερμοκηπίου, θεωρώντας τη συνθήκη, πολύ ακριβή για την αμερικανική οικονομία. Χωρίς τη συμμετοχή των ΗΠΑ, όμως, το Πρωτόκολλο του Κιότο, δεν έχει και πολλές ελπίδες επιβίωσης, ισχυρίζονται οι σκεπτικιστές. Το σύνολο των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) των ΗΠΑ ανέρχεται σε 5,41 δισεκατομμύρια τόνους ετησίως, σχεδόν το ένα τέταρτο των συνολικών εκπομπών CO 2 παγκοσμίως. Οι εκπομπές στις ΗΠΑ αυξάνονται συνεχώς και είναι πλέον κατά 11% υψηλότερες από αυτές του 1990, αν και όταν προσωρινά δήλωσαν συμμετοχή στο Κιότο είχαν υποσχεθεί μείωση κατά 6%. Η Ελλάδα έχει δεσμευτεί ότι οι εκπομπές της δεν θα αυξηθούν περισσότερο από 25% πάνω από τα επίπεδα του 1990 κατά την περίοδο Το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών εκτιμά ότι αν συνεχιστεί ο σημερινός ρυθμός αύξησης των εκπομπών, η χώρα μας δεν πρόκειται να εκπληρώσει τις υποχρεώσεις της απέναντι στο Πρωτόκολλο του Κιότο. Η παρούσα δεσμευτική περίοδος για τις χώρες που έχουν υπογράψει το Πρωτόκολλο εκπνέει στο τέλος του Στο τέλος του Νοεμβρίου οι κυβερνήσεις αναμένεται να συναντηθούν στη Ντόχα του Κατάρ για την υπογραφή μιας νέας συμφωνίας η οποία θα υπογραφεί το 2015 και θα τεθεί σε ισχύ το ΟΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εξ ορισμού ανανεώσιμη πηγή ενέργειας σημαίνει ανεξάντλητη πηγή ενέργειας σε αντίθεση με το σύνολο των συμβατικών καυσίμων, των οποίων τα βεβαιωμένα αποθέματα του πλανήτη μας αναμένεται να εξαντληθούν σε σύντομο χρονικό διάστημα. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), ή μη συμβατικές μορφές ενέργειας, ή ήπιες μορφές ενέργειας, ή καθαρές πηγές ενέργειας, ή εναλλακτικές πηγές ενέργειας είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που προέρχονται από διάφορες φυσικές διαδικασίες, όπως τον άνεμο, τη γεωθερμία, τον ήλιο, το νερό, τη βιομάζα, τα κύματα, υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον, δεν εξαντλούνται, αλλά διαρκώς ανανεώνονται και δύνανται να μετατραπούν σε ηλεκτρική ή θερμική ενέργεια. Ο όρος ανανεώσιμες αναφέρεται στο γεγονός ότι οι μορφές αυτές είναι σε αφθονία στο φυσικό περιβάλλον και για τη χρησιμοποίησή τους, δεν επηρεάζεται η ροή ενέργειας που ήδη υπάρχει στη φύση. Ο όρος ήπιες αναφέρεται σε δύο βασικά τους χαρακτηριστικά. Καταρχάς, για την εκμετάλλευσή τους δεν απαιτείται κάποια ενεργειακή παρέμβαση όπως η ~ 13 ~

22 εξόρυξη, άντληση ή καύση, όπως με τις μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας, αλλά απλώς η εκμετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ροής ενέργειας στη φύση. Δεύτερον, πρόκειται για καθαρές μορφές ενέργειας, πολύ φιλικές στο περιβάλλον, που δεν αποδεσμεύουν υδρογονάνθρακες και διοξείδιο του άνθρακα ή τοξικά απόβλητα, όπως οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σε μεγάλη κλίμακα. Ο όρος εναλλακτικές χρησιμοποιείται για να τονίσει τη διαφορά τους από τις μέχρι σήμερα ευρέως χρησιμοποιούμενες μορφές ενέργειας, υποδηλώνει δηλαδή κάτι το καινούριο, κάτι το διαφορετικό από τα ήδη καθιερωμένα δεδομένα. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι οι ακόλουθες: Η ενέργεια από βιομάζα. Η γεωθερμική ενέργεια. Η ηλιακή ενέργεια. Η υδροηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια από κύματα. Η ενέργεια από παλίρροιες. Η αιολική ενέργεια. Αυτές οι μορφές ενέργειας, βασίζονται κατά πλειοψηφία στην ηλιακή ακτινοβολία, με εξαίρεση τη γεωθερμική ενέργεια, η οποία είναι ροή ενέργειας από το εσωτερικό του φλοιού της γης, και την ενέργεια απ' τις παλίρροιες που εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα. Οι ΑΠΕ θεωρούνται από πολλούς μια αφετηρία για την επίλυση των οικολογικών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η γη. Γι αυτό το λόγο, τα τελευταία χρόνια παρατηρείται στροφή προς τη χρησιμοποίησή τους. Η χρήση και η εφαρμογή τους από τον άνθρωπο αναμφισβήτητα έχει και θετικά αλλά και αρνητικά αποτελέσματα. Πλεονεκτήματα των ΑΠΕ Όπως δηλώνει και η ονομασία τους, αποτελούν καθαρές μορφές ενέργειας, ήπιες προς το περιβάλλον. Η χρήση τους δεν επιβαρύνει τα οικοσυστήματα των περιοχών εγκατάστασής τους, και παράλληλα αντικαθιστά ρυπογόνες πηγές ενέργειας, όπως ο άνθρακας, το πετρέλαιο και η πυρηνική ενέργεια, γι αυτό και η χρήση τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινωνικό σύνολο. Αποτελούν ανεξάντλητες πηγές ενέργειας, μιας και βασίζονται στην ηλιακή ακτινοβολία δεν πρόκειται να εξαντληθούν όσο υπάρχει ο ήλιος. (εξαίρεση αποτελεί η γεωθερμική ενέργεια η οποία ανανεώνεται σε κλίμακα χιλιετιών.) Οι περισσότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν έχουν μεγάλο λειτουργικό κόστος και η ανάγκη για συντήρηση του εξοπλισμού τους είναι μικρή. Συνήθως επιδοτούνται από τις κυβερνήσεις. ~ 14 ~

23 Βοηθούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος αφού είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και συμβάλλουν στην ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών, καθώς ελαχιστοποιούν την εξάρτησή τους από το πετρέλαιο. Οι επενδύσεις στις ΑΠΕ δημιουργούν πολλές θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο. Μειονεκτήματα των ΑΠΕ Ο συντελεστής απόδοσής του είναι αρκετά μικρός της (κυμαίνεται μεταξύ 25% και 35%) και αυτός είναι ο λόγος που προς το παρόν χρησιμοποιούνται ως συμπληρωματικές και εφεδρικές πηγές ενέργειας σε συνδυασμό πάντοτε με κάποια άλλη πηγή ενέργειας. Υπάρχει στοχαστικότητα στην εμφάνιση μερικών ΑΠΕ (αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας), η οποία εξαρτάται από την εποχή του έτους, το γεωγραφικό πλάτος, το κλίμα και τις καιρικές συνθήκες της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. Σε περίπτωση διασύνδεσης με το ηλεκτρικό δίκτυο η παραγόμενη ενέργεια δεν πληροί πάντοτε τις τεχνικές απαιτήσεις του δικτύου με αποτέλεσμα να είναι απαραίτητη η τοποθέτηση αυτοματισμών ελέγχου, μηχανημάτων ρυθμίσεως τάσης και συχνότητας, καθώς και ελέγχου της άεργης ισχύος. Σε περιπτώσεις αυτόνομων μονάδων είναι απαραίτητη η ύπαρξη συστημάτων αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας σε μια προσπάθεια να έχουμε εξισορρόπηση μεταξύ της ζητηθείσας και της διαθέσιμης ενέργειας. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται αυξημένο αρχικό κόστος (λόγω της προσθήκης του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας) και βέβαια επιπλέον απώλειες ενέργειας κατά τις φάσεις μετατροπής και αποθήκευσης καθώς και αυξημένες υποχρεώσεις συντήρησης και εξασφάλισης της ομαλής λειτουργίας. Υψηλό κόστος αρχικής επένδυσης για την εγκατάσταση μιας μονάδας παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ. Βέβαια τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια συμπίεση των τιμών λόγω του ανταγωνισμού των εταιριών αλλά και της συνεχούς εξέλιξης της τεχνολογίας. ΒΙΟΜΑΖΑ ~ 15 ~

24 Βιομάζα ονομάζουμε οποιοδήποτε υλικό παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς (όπως είναι το ξύλο και άλλα προϊόντα του δάσους, υπολείμματα καλλιεργειών, κτηνοτροφικά απόβλητα, απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων κλπ.) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για παραγωγή ενέργειας. Είναι δηλαδή τα υπολείμματα φυτών και τ απορρίμματα ζωικών οργανισμών, που μπορούν με κατάλληλες χημικές ή βιολογικές διεργασίες να παράγουν τα βιοκαύσιμα. Η ενέργεια της βιομάζας είναι δευτερογενής ηλιακή ενέργεια κι αυτό γιατί στην πραγματικότητα είναι αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια που δεσμεύτηκε από τα φυτά κατά τη φωτοσύνθεση, ενώ οι ζωικοί οργανισμοί προσλαμβάνουν αυτή την ενέργεια με την τροφή τους και αποθηκεύουν ένα μέρος της. Αυτή την ενέργεια αποδίδει τελικά η βιομάζα, μετά την επεξεργασία και τη χρήση της. Κατά τη φωτοσυνθετική διαδικασία η χλωροφύλλη των φυτών μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια μαζί με το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα και μαζί με ανόργανα στοιχεία από το έδαφος, σε χημική ενέργεια που αποθηκεύεται στα φυτά, τη βιομάζα και σε οξυγόνο. Ηλιακή ενέργεια + Η 2 Ο + CO 2 + Ανόργανα Στοιχεία Βιομάζα + Ο 2 Κύριες πηγές της βιομάζας είναι: Υπολείμματα της γεωργικής παραγωγής (υπολείμματα ξυλείας, σοδειάς, κλαδιά δέντρων, στελέχη βάμβακος) καθώς και τα κατάλοιπα που προέρχονται από την επεξεργασία των παραπάνω τα οποία μπορούν να δημιουργήσουν βιομάζα όπως το πριονίδι και τα ελαιοπυρηνόξυλα. Υπολείμματα των βιομηχανιών επεξεργασίας γεωργικών προϊόντων και παραγωγής τροφίμων, παραπροϊόντα και απόβλητα κτηνοτροφίας, παραπροϊόντα επεξεργασίας ξύλου. ~ 16 ~

25 Υγρά απόβλητα και το μεγαλύτερο μέρος από τα αστικά απορρίμματα (υπολείμματα τροφών, χαρτί κ.ά.) και τα βιομηχανικά λύματα τα οποία έχουν υποστεί βιολογική επεξεργασία. Φυτικοί οργανισμοί που προέρχονται από φυτικά οικοσυστήματα όπως τα δάση, τα φυτά και τα φύκια καθώς και ειδικές καλλιέργειες δασικών και γεωργικών ειδών όπως ο ευκάλυπτος και το καλάμι, φυτομάζα από κλάδεμα δενδροκαλλιεργειών, βοηθητικά φυτά (βοσκές, καλαμιές) και αναξιοποίητη δασική ύλη αλλά και οι πρότυπες ενεργειακές καλλιέργειες. Η βιομάζα είναι η πιο παλιά και διαδεδομένη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Ο πρωτόγονος άνθρωπος, για να ζεσταθεί και να μαγειρέψει, χρησιμοποίησε την ενέργεια (θερμότητα) που προερχόταν από την καύση των ξύλων, που είναι ένα είδος βιομάζας. Αλλά και μέχρι σήμερα, κυρίως οι αγροτικοί πληθυσμοί, τόσο της Αφρικής, της Ινδίας και της Λατινικής Αμερικής, όσο και της Ευρώπης, για να ζεσταθούν, να μαγειρέψουν και να φωτιστούν χρησιμοποιούν ξύλα, φυτικά υπολείμματα (άχυρα, πριονίδια, άχρηστους καρπούς ή κουκούτσια κ.ά.) και ζωικά απόβλητα (κοπριά, λίπος ζώων, άχρηστα αλιεύματα κ.ά.). Η βιομάζα αξιοποιείται για την κάλυψη αναγκών θέρμανσης ή και ηλεκτρισμού σε γεωργικές και βιομηχανικές περιοχές, στην παραγωγή υγρών και αερίων καυσίμων (κύρια αιθανόλη, υδρογονάνθρακες, μεθάνιο, υδρογόνο, υδρόθειο και μονοξείδιο του άνθρακα) με βιοχημικά και θερμοχημική μετατροπή της βιομάζας αντίστοιχα. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σαν συμπληρωματικό καύσιμο στους ηλεκτρικούς σταθμούς, που χρησιμοποιούν γεωλογικά καύσιμα, με ταυτόχρονη ελάττωση των οξειδίων θείου και αζώτου (κυρίως με χρήση υπολειμμάτων ξύλου). Ευρεία είναι η χρήση της βιομάζας για θέρμανση θερμοκηπίων, στις ενεργειακές καλλιέργειες και ως βιοαέριο σε αγροτικές περιοχές. Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα της Βιομάζας Η βιομάζα είναι μία ιδιαίτερα φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας που τα αποθέματά της είναι ικανά να αντικαταστήσουν με ιδιαίτερη αποτελεσματικότητα τις πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα όπως το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και ο άνθρακας. Επιπλέον, αντίθετα από τα ορυκτά καύσιμα, η βιομάζα είναι ανανεώσιμη καθώς απαιτείται μόνο μια σύντομη χρονική περίοδος για να αναπληρωθεί ό, τι χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση της βιομάζας είναι: Η βιομάζα είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και παρέχει ενέργεια αποθηκευμένη με χημική μορφή. Η αξιοποίηση της μπορεί να γίνει με μετατροπή της σε μεγάλη ποικιλία προϊόντων, με διάφορες μεθόδους. Η καύση της βιομάζας έχει μηδενικό ισοζύγιο διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), δε συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, επειδή οι ποσότητες του ~ 17 ~

26 διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) που απελευθερώνονται κατά την καύση της βιομάζας δεσμεύονται πάλι από τα φυτά κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης για τη δημιουργία της βιομάζας. Η μηδαμινή ύπαρξη του θείου, που παράγεται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων, στη βιομάζα συμβάλλει σημαντικά στον περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του θείου (SO 2 ) που είναι υπεύθυνο για την όξινη βροχή. Εφόσον η βιομάζα είναι εγχώρια πηγή ενέργειας, η αξιοποίησή της σε ενέργεια συμβάλλει σημαντικά στη μείωση της εξάρτησης από εισαγόμενα καύσιμα και βελτίωση του εμπορικού ισοζυγίου, στην εξασφάλιση του ενεργειακού εφοδιασμού και στην εξοικονόμηση του συναλλάγματος. Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας σε μια περιοχή αυξάνει την απασχόληση στις αγροτικές περιοχές με τη χρήση εναλλακτικών καλλιεργειών (διάφορα είδη ελαιοκράμβης, σόργο, καλάμι) τη δημιουργία εναλλακτικών αγορών για τις παραδοσιακές καλλιέργειες (ηλίανθος κ.ά.), και τη συγκράτηση του πληθυσμού στις εστίες τους, συμβάλλοντας έτσι στη κοινωνικοοικονομική ανάπτυξη της περιοχής. Μελέτες έχουν δείξει ότι η παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων έχει θετικά αποτελέσματα στον τομέα της απασχόλησης τόσο στον αγροτικό όσο και στο βιομηχανικό χώρο. Τέλος, ισχυρά είναι και τα κοινωνικά κίνητρα των εταιριών, όταν με την επιλογή της βιομάζας επιλύουν το πρόβλημα διάθεσης των απορριμμάτων των πελατών τους. Από την άλλη, σα μορφή ενέργειας η βιομάζα χαρακτηρίζεται από μειονεκτήματα που σχετίζονται με τη χρησιμοποίησή της και αυτά είναι: Πολυμορφία, χαμηλό ενεργειακό περιεχόμενο, σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα, λόγω χαμηλής πυκνότητας και υψηλής περιεκτικότητας σε νερό. Αυτό έχει σαν συνέπεια να είναι δύσκολη η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας και έτσι το κόστος μετατροπής της σε πιο εύχρηστες μορφές ενέργειας να είναι υψηλό. Εποχικότητα, μεγάλη διασπορά που δυσκολεύουν τη συνεχή τροφοδοσία με πρώτη ύλη των μονάδων ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας και αυξάνουν το κόστος μεταφοράς. Βάση των παραπάνω παρουσιάζονται δυσκολίες κατά τη συλλογή, μεταφορά, και αποθήκευση της βιομάζας που αυξάνουν το κόστος της ενεργειακής αξιοποίησής της. Οι σύγχρονες και βελτιωμένες τεχνολογίες μετατροπής της βιομάζας απαιτούν υψηλό κόστος εξοπλισμού, συγκρινόμενες με αυτό των συμβατικών καυσίμων. Στα μειονεκτήματα της στερεάς βιομάζας ως καυσίμου θερμικών σταθμών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, περιλαμβάνεται η χαμηλή θερμογόνος της δύναμη και η ακαταλληλότητά της για μηχανές εσωτερικής καύσης ή αεριοστρόβιλους. Για τους λόγους αυτούς επιδιώκεται συχνά η μετατροπή της σε άλλη μορφή ή φάση που είναι δαπανηρή και δύσκολη. ~ 18 ~

27 Το μέλλον της Βιομάζας Φαίνεται ότι οι συμβατικές πηγές ενέργειας συνεχώς και εξαντλούνται και ο παγκόσμιος πληθυσμός σχεδόν διπλασιάστηκε με αποτέλεσμα οι ενεργειακές ανάγκες του παγκόσμιου πληθυσμού να είναι πλέον πολύ μεγαλύτερες. Το αποτέλεσμα της εξάντλησης αυτών των πηγών ενέργειας που ο πλανήτης δημιούργησε εδώ και εκατομμύρια χρόνια είναι ότι ο άνθρωπος μέσα σε δύο αιώνες κατάφερε να εξαντλήσει αυτές τις μορφές ενέργειας με τεράστιες επιπτώσεις σε όλο τον πλανήτη με το φαινόμενο του θερμοκηπίου, την όξινη βροχή κλπ. Έτσι η ανάπτυξη της βιομάζας ως πηγής ενέργειας είναι απαραίτητη παρόλα τα κάποια μειονεκτήματα που υπάρχουν και είναι η απαραίτητη η συμβολή και των πολιτών αλλά και της πολιτείας για να πραγματοποιηθεί αυτό το εγχείρημα. Τα θετικά από την αξιοποίηση της βιομάζας θα είναι συντριπτικά περισσότερα από τα αρνητικά τόσο για τη προστασία του περιβάλλοντος όσο και για τους τομείς της οικονομίας και της ενέργειας αρκεί να γίνει ολική εκμετάλλευση των τεραστίων εκτάσεων ανεκμετάλλευτων ποσοτήτων βιομάζας καθώς και του εργατικού δυναμικού που μπορεί να ασχοληθεί για την αξιοποίηση αυτών των ποσοτήτων Η έρευνα και η τεχνολογική πρόοδος που έχουν πραγματοποιηθεί τα τελευταία δέκα χρόνια έχουν καταστήσει τις τεχνολογίες ενεργειακής μετατροπής της βιομάζας εξαιρετικά ελκυστικές σε παγκόσμιο επίπεδο. Οι προοπτικές, μάλιστα, της βιοενέργειας καθίστανται διαρκώς μεγαλύτερες και πιο ελπιδοφόρες. Στις πιο προηγμένες οικονομικά χώρες, αναμένεται να καλύπτει σημαντικό τμήμα της ενεργειακής παραγωγής μελλοντικά. Προς το παρόν, η βιομάζα παγκοσμίως παραμένει σε γενικές γραμμές ανεκμετάλλευτη. Έτσι κατά μέσο όρο σε όλο το πλανήτη γίνεται εκμετάλλευση του 14% περίπου της συνολικής βιομάζας. Η απλούστερη μέθοδος μετατροπής της ποώδους βιομάζας σε πιο βολική και αποδοτικότερη καύσιμη ύλη είναι η παραγωγή συμπυκνωμάτων ή συσσωματωμάτων για την μείωση του όγκου της και αφαίρεση μέρους της υγρασίας της. Οι δύο βασικοί τύποι τέτοιων συσσωματωμάτων βιομάζας είναι οι μπρικέτες και τα πελλέτες, τα οποία είναι κυλινδρικής μορφής τις περισσότερες φορές. Χρήση της Βιομάζας στην Ελλάδα Στην Ελλάδα υπάρχει μεγάλη διαθεσιμότητα πελλετών βιομάζας, αφού λειτουργούν 5 εργοστάσια παραγωγής πελλετών, ενώ εντός του 2010 μπήκε στην παραγωγή και ένα 6ο στο Νευροκόπι που είναι και το μεγαλύτερο στη χώρα. Η χρήση της βιομάζας δεν είναι χαρακτηριστικό της σύγχρονης εποχής αφού μέχρι το τέλος του 19ου αιώνα χρησιμοποιούνταν αποκλειστικά τα καυσόξυλα που ήταν η βιομάζα της τότε περιόδου. Στις μέρες μας γίνεται συνολική εκμετάλλευση ~ 19 ~

28 μόλις του 3% της βιομάζας στη χώρα μας. Χρησιμοποιείται για τη θέρμανση των θερμοκηπίων, στην παραγωγή των ελιών, για το μαγείρεμα, για τη θέρμανση των σπιτιών, και σε περιορισμένη ποσότητα στις βιομηχανίες. Παρότι ακόμη η παραγωγή βιομάζας στην Ελλάδα κυμαίνεται σε ιδιαίτερα χαμηλά επίπεδα, το μέλλον διαφαίνεται ιδιαίτερα αισιόδοξο γιατί υπάρχουν μεγάλες ποσότητες ανεκμετάλλευτες που μπορούν να μετατραπούν σε βιομάζα και οι τιμές της βιομάζας μπορεί να είναι αρκετά πιο συμφέρουσες για τις τσέπες των Ελλήνων πολιτών από τις συμβατικές πηγές ενέργειας. ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Γεωθερμία ή γεωθερμική ενέργεια ονομάζουμε τη φυσική θερμική ενέργεια της γης που ρέει από το θερμό εσωτερικό του πλανήτη προς την επιφάνεια, είναι δηλαδή η θερμική ενέργεια των πετρωμάτων, του εσωτερικού της γης. Η ενέργεια αυτή σχετίζεται με την ηφαιστειότητα και τις ειδικότερες γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες κάθε περιοχής. Υπάρχουν περιοχές της γης (ονομαζόμενες γεωθερμικά πεδία), που η θερμική ενέργεια των πετρωμάτων της γης εμφανίζεται επιφανειακά, υπό μορφή ζεστού νερού (60 C C), υγρού ατμού (νερό με πίεση μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής και θερμοκρασία μεγαλύτερη των 100 C) ή κεκορεσμένου ξηρού ατμού. Η γη αποτελείται από τρία ανομοιογενή, ομόκεντρα στρώματα που έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες, σύσταση και πυκνότητα, το φλοιό, το μανδύα και τον πυρήνα, συνολικού πάχους 6.371km περίπου. ~ 20 ~

29 75km. Ο φλοιός αποτελεί την εξωτερική στοιβάδα της γης και έχει πάχος από 5 έως Ο μανδύας είναι το αμέσως επόμενο στρώμα και φτάνει μέχρι το βάθος των 2.900km. Έχει αβέβαιη σύσταση. Το άνω μέρος του μανδύα συνίσταται κυρίως από ενώσεις του πυριτίου με βαρέα μέταλλα, ενώ το κάτω μέρος συγκροτείται από θειούχες, οξυγονούχες και πυριτικές ενώσεις του σιδήρου, του μαγνησίου και άλλων βαρέων μετάλλων. Το ανώτερο τμήμα του μανδύα και ο φλοιός αποτελούν τη λιθόσφαιρα. Ο πυρήνας διακρίνεται σε εξωτερικό που είναι σε υγρή/ρευστή κατάσταση και αποτελείται κυρίως από σίδηρο, και σε εσωτερικό που είναι σε στερεή κατάσταση. Όσο προσχωρούμε προς το κέντρο της γης, η θερμοκρασία της αυξάνει, με αποτέλεσμα η ροή θερμότητας να γίνεται από το εσωτερικό προς το εξωτερικό της γης. Ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας ονομάζεται «γεωθερμική βαθμίδα» και στο στρώμα της λιθόσφαιρας έχει κανονική τιμή περίπου 30 C/km. Το φαινόμενο κατά το οποίο σε μια περιοχή η θερμοκρασία αυξάνει με ταχύτερο ρυθμό ονομάζεται γεωθερμική ανωμαλία και παρατηρείται σε περιοχές όπου συντρέχουν ειδικές γεωλογικές συνθήκες και όπου είναι πιθανό να υπάρχει εκμεταλλεύσιμη γεωθερμική ενέργεια. Για να υφίσταται διαθέσιμο θερμό νερό ή ατμός σε μια περιοχή, πρέπει να υπάρχει κάποιος ταμιευτήρας αποθήκευσής του. Η γεωμορφολογία της περιοχής πρέπει να είναι κατάλληλη ώστε το βρόχινο νερό να μπορεί να διεισδύσει σε αυτούς οι οποίοι με τη σειρά τους πρέπει να βρίσκονται κοντά σε ένα θερμικό κέντρο. Η αυξημένη ροή θερμότητας, λόγω της έντονης τεκτονικής και μαγματικής δραστηριότητας, δημιούργησε εκτεταμένες θερμικές ανωμαλίες, με μέγιστες τιμές γεωθερμικής βαθμίδας που πολλές φορές ξεπερνούν του 100 C/km. Σε κατάλληλες γεωλογικές συνθήκες, η ενέργεια αυτή θερμαίνει «ρηχούς» υπόγειους ταμιευτήρες ρευστών σε θερμοκρασίες μέχρι 100 C. Στην περίπτωση αυτή, το νερό του ταμιευτήρα θερμαίνεται και ανεβαίνει προς την επιφάνεια, ενώ το ψυχρότερο νερό κατεβαίνει βαθύτερα όπου στη συνέχεια θερμαίνεται. Τα γεωθερμικά ρευστά εμφανίζονται κάποιες φορές επιφανειακά με τη μορφή θερμού νερού ή ατμού, ενώ άλλες φορές πρέπει να γίνει γεώτρηση. Η γεωθερμική ενέργεια, θερμότητα που εκλύεται από τον πυρήνα της γης, αξιοποιείται ήδη από το 1904 για την παραγωγή καθαρής, «πράσινης» ενέργειας. Το μυστικό για την παραγωγή ενέργειας κρύβεται στα γεωθερμικά ρευστά, δηλαδή σε υπόγειες δεξαμενές νερού από θαλάσσια ή άλλα νερά, τα οποία θερμαίνονται σε θερμοκρασίες που συχνά υπερβαίνουν τους 350 C, λόγω της επαφής τους με πετρώματα που έχουν ήδη θερμανθεί από τη λάβα που βρίσκεται στο εσωτερικό της γης. ~ 21 ~

30 Μεγάλη σημασία για τον άνθρωπο έχει η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας για την κάλυψη αναγκών του, καθώς είναι μια πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Οι εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας ποικίλουν ανάλογα με τη θερμοκρασία και περιλαμβάνουν: Όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλή, η γεωθερμική ενέργεια αξιοποιείται για τη θέρμανση κατοικιών και άλλων κτιρίων ή κτιριακών εγκαταστάσεων, (με καλοριφέρ για θ > 60 C, με αερόθερμα για θ > 40 C, με ενδοδαπέδιο σύστημα για θ > 25 C), για τη θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών επειδή τα φυτά αναπτύσσονται γρηγορότερα και γίνονται μεγαλύτερα με τη θερμότητα (για θερμοκρασίες θ > 25 C), ή και για αντιπαγετική προστασία, για θέρμανση κτηνοτροφικών μονάδων, ιχθυοκαλλιεργειών (για θερμοκρασίες θ > 15 C) επειδή τα ψάρια χρειάζονται ορισμένη θερμοκρασία για την ανάπτυξή τους. Επίσης, χρησιμοποιείται για ψύξη και κλιματισμό (με αντλίες θερμότητας απορρόφησης για θ > 60 C, ή με υδρόψυκτες αντλίες θερμότητας για θ < 30 C), σε βιομηχανικές εφαρμογές όπως αφαλάτωση θαλασσινού νερού για την παραγωγή γλυκού νερού (για θερμοκρασίες θ > 60 C), ξήρανση αγροτικών προϊόντων, σε θερμά λουτρά (για θερμοκρασίες από 25 C έως 40 C). Στις περιπτώσεις που τα γεωθερμικά ρευστά έχουν μέση θερμοκρασία (80 ο C έως 150 C), η γεωθερμική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με δυαδικό κύκλο (με κλειστό κύκλωμα φρέον που έχει χαμηλό σημείο ζέσεως), σε βιομηχανίες, θερμοκήπια και για τη θέρμανση κατοικιών ή και ξήρανση ξυλείας και αγροτικών προϊόντων. Όταν η θερμοκρασία είναι υψηλή (θ > 150 C), η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται συνήθως για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας η θερμική ενέργεια των πετρωμάτων της γης απορροφάται με τροφοδότηση αλμυρού νερού σε γεώτρηση βάθους 500m m και με άντλησή του από άλλη κοντινή γεώτρηση. Αν το γεωθερμικό πεδίο διαθέτει ξηρό ατμό, τροφοδοτείται απευθείας ένας ατμοστρόβιλος χαμηλής πίεσης, ενώ αν διαθέτει υγρό ατμό τροφοδοτείται ένας εναλλάκτης θερμότητας, που προσδίδει τη θερμότητα σε δευτερεύοντα υγρά εργασίας (π.χ. φρέον) για να κινήσουν το στρόβιλο. Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα της Γεωθερμικής Ενέργειας Συγκρινόμενη με τις άλλες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), η γεωθερμία δεν υστερεί σε περιβαλλοντικά οφέλη. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση της γεωθερμικής ενέργειας είναι: Καθαρότερη ατμόσφαιρα αφού η γεωθερμική ενέργεια ρε ρυπαίνει το περιβάλλον και δεν εκπέμπει αέρια του θερμοκηπίου, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) και το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), διοξείδιο του θείου ~ 22 ~

31 (SO 2 ) και άλλα βλαβερά μικροσωματίδια που εκπέμπουν οι συμβατικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας. Μικρή απαίτηση γης και μικρό λειτουργικό κόστος, αν και το κόστος παγίων είναι σημαντικά αυξημένο σε σχέση και με τις συμβατικές μορφές ενέργειας. Η έκταση γης που απαιτείται για την αξιοποίηση της γεωθερμίας (π.χ. για την εγκατάσταση της μονάδας, το χώρο για τις γεωτρήσεις, τις σωληνώσεις μεταφοράς και τους δρόμους πρόσβασης) είναι γενικά μικρότερη από την έκταση της γης που απαιτούν άλλες μορφές ενέργειας (ατμοηλεκτρικοί σταθμοί άνθρακα). Εφόσον η γεωθερμία αποτελεί τοπική πηγή ενέργειας, η αξιοποίησή της συμβάλλει σημαντικά στη μείωση της ενεργειακής εξάρτησης μιας χώρας από εισαγόμενα καύσιμα, στην οικονομική ανάπτυξη της γεωθερμικής περιοχής, στην εξοικονόμηση φυσικών πόρων, κυρίως με την ελάττωση κατανάλωσης των εγχώριων αποθεμάτων λιγνίτη και στην εξοικονόμηση του συναλλάγματος. Συνεχής παροχή ενέργειας, με υψηλό συντελεστή λειτουργίας (90%). Γενικά, η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας συναντά ορισμένα βασικά προβλήματα, τα οποία θα πρέπει να λυθούν ικανοποιητικά για την οικονομική εκμετάλλευση της εναλλακτικής αυτής μορφής ενέργειας. Όλα αυτά τα προβλήματα σχετίζονται άμεσα με την ιδιάζουσα χημική σύσταση των περισσότερων γεωθερμικών ρευστών. Τα μειονεκτήματα τα οποία παρουσιάζονται είναι: Τα γεωθερμικά ρευστά λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και της παραμονής τους σε επαφή με διάφορα πετρώματα περιέχουν κατά κανόνα σημαντικές ποσότητες διαλυμένων αλάτων και αερίων. Η αλλαγή των θερμοδυναμικών χαρακτηριστικών των ρευστών στο στάδιο της εκμετάλλευσής τους μπορεί να δημιουργήσει συνθήκες ευνοϊκές τόσο για τη χημική προσβολή των μεταλλικών επιφανειών, όσο και για την απόθεση ορισμένων διαλυμένων ή αιωρούμενων στερεών και την απελευθέρωση στο περιβάλλον επιβλαβών ουσιών. Ανησυχία επίσης, προκαλεί η διάθεση των γεωθερμικών νερών στους υδάτινους αποδέκτες. Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και της περιεκτικότητάς του σε διάφορα χημικά συστατικά, το γεωθερμικό ρευστό προτού διατεθεί σε υδάτινους αποδέκτες θα πρέπει να υποστεί κάποια επεξεργασία και να μειωθεί η θερμοκρασία του. Η περιβαλλοντικά περισσότερο αποδεκτή μέθοδος διάθεσης των γεωθερμικών ρευστών είναι η επανεισαγωγή τους στον ταμιευτήρα. Το υδρόθειο (H 2 S), λόγω της έντονης οσμής του και της σχετικής τοξικότητάς του, ο θόρυβος και ο φόβος για τη δημιουργία μικροσεισμικότητας και καθιζήσεων κατά τη φάση της έρευνας, την ανόρυξης γεωτρήσεων, των δοκιμών και της κατασκευής της μονάδας είναι υπεύθυνοι τις περισσότερες φορές για τη προκατάληψη που εκδηλώνεται κατά της γεωθερμίας. ~ 23 ~

32 Η Γεωθερμία σε Παγκόσμιο Επίπεδο Παγκοσμίως, η εγκατεστημένη ισχύς των ηλεκτρικών σταθμών, που χρησιμοποιούν γεωθερμική ενέργεια, είναι περίπου 9.000MW. Η απόδοση αυτών των σταθμών είναι μικρότερη των σταθμών που χρησιμοποιούν γεωλογικά καύσιμα, αλλά το κόστος κατασκευής τους είναι μικρότερο και φυσικά το καύσιμο δωρεάν, καθιστώντας τη γεωθερμία μια αξιόπιστη, προσιτή και απόλυτα φιλική στο περιβάλλον εναλλακτική πηγή ενέργειας. Η πρώτη βιομηχανική εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας έγινε στο Lardarello της Ιταλίας, όπου από τα μέσα του περασμένου αιώνα χρησιμοποιήθηκε ο φυσικός ατμός για να εξατμίσει τα νερά που περιείχαν βορικό οξύ αλλά και να θερμάνει διάφορα κτήρια. Το 1904 έγινε στο ίδιο μέρος η πρώτη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από τη γεωθερμία (σήμερα παράγονται εκεί 2,5 δισ. ΚWh/έτος). Σπουδαία είναι η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας από την Ισλανδία, όπου καλύπτεται πολύ μεγάλο μέρος των αναγκών της χώρας σε ηλεκτρική ενέργεια και θέρμανση. Η Διεθνής Γεωθερμική Ένωση (IGA) αναφέρει ότι το 2010, 72 χώρες είχαν αναπτύξει γεωθερμικές εφαρμογές χαμηλής-μέσης θερμοκρασίας, με εγκατεστημένη παραγωγική ισχύ MWe κάτι που δηλώνει σημαντική πρόοδο σε σχέση με το 1990, όταν είχαν αναφερθεί εφαρμογές μόνο σε 28 χώρες με εγκατεστημένη ισχύ 5.831MWe παρουσιάζοντας αύξηση 75%, με μέση ετήσια αύξηση 12%. Χρήση της Γεωθερμίας στην Ελλάδα Η ανάπτυξη της γεωθερμίας εξαρτάται από ειδικούς παράγοντες, όπως πχ. το βάθος, τα χαρακτηριστικά του γεωθερμικού ταμιευτήρα, τη σύνθεση του γεωθερμικού ρευστού και την τροφοδοσία του, τη χρήση γης στην επιφάνεια του εδάφους κ.ά. Η παραγωγή ενέργειας από γεωθερμία αποτελεί έναν από τους βασικούς άξονες ανάπτυξης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και εντάσσεται στις προτεραιότητες του επιχειρησιακού σχεδίου της ΔΕΗ Ανανεώσιμες Α.Ε. Η έρευνα για την αναζήτηση γεωθερμικής ενέργειας άρχισε ουσιαστικά στη χώρα μας το 1971 με βασικό φορέα το Ινστιτούτο Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών (ΙΓΜΕ) και μέχρι το 1979 (πριν από τη δεύτερη ενεργειακή κρίση) αφορούσε μόνο τις περιοχές υψηλής ενθαλπίας. Κατά την εξέλιξη των εργασιών, το 1973, η ΔΕΗ σαν άμεσα ενδιαφερόμενη για την ηλεκτροπαραγωγή, ανέλαβε τις παραγωγικές γεωτρήσεις υψηλής ενθαλπίας και την ανάπτυξη των πεδίων, χρηματοδοτώντας επιπλέον τις έρευνες στις πιθανές για τέτοια ρευστά γεωθερμικές περιοχές. Συντάχθηκε έτσι ο προκαταρκτικός χάρτης γεωθερμικής ροής του ελληνικού χώρου, όπου φάνηκε ότι η γεωθερμική ροή στην Ελλάδα είναι σε πολλές περιοχές εντονότερη από τη μέση γήινη. Από το 1971 ερευνήθηκαν οι περιοχές: Μήλος, Νίσυρος, Λέσβος, Μέθανα, Σουσάκι Κορινθίας, Καμένα Βούρλα, Θερμοπύλες, Υπάτη, Αιδηψός, Κίμωλος, Πολύαιγος, Σαντορίνη, Κως, Ικαρία, Νότια Θεσσαλία, Αλμωπία, περιοχή Στρυμόνα, περιοχή Ξάνθης, Σαμοθράκη, Λεκάνη Σπερχειού, Ακροπόταμος και άλλες. ~ 24 ~

33 Λόγω κατάλληλων γεωλογικών συνθηκών, ο Ελλαδικός χώρος διαθέτει σημαντικές γεωθερμικές πηγές και των τριών κατηγοριών (υψηλής, μέσης και χαμηλής ενθαλπίας) σε οικονομικά βάθη (100m 1.500m). Σε μερικές περιπτώσεις τα βάθη των γεωθερμικών ταμιευτήρων είναι πολύ μικρά, κάνοντας ιδιαίτερα ελκυστική, από οικονομική άποψη, τη γεωθερμική εκμετάλλευση. Το απολήψιμο γεωθερμοηλεκτρικό δυναμικό στη χώρα μας εκτιμάται ότι είναι μεταξύ 200MW και 300 MW και βρίσκεται κυρίως στις νήσους Μήλο, Νίσυρο και Λέσβο, όπου η σύνθλιψη των λιθοσφαιρικών πλακών στην περιοχή του Αιγαίου δημιούργησε το ομώνυμο ηφαιστειακό τόξο. Στη Μήλο και τη Νίσυρο έχουν ανακαλυφθεί σπουδαία γεωθερμικά πεδία και έχουν γίνει γεωτρήσεις παραγωγής (πέντε και δύο αντίστοιχα). Στη Μήλο μετρήθηκαν θερμοκρασίες μέχρι 325 C σε βάθος 1000m και στη Νίσυρο 350 C σε βάθος 1500m. Οι γεωτρήσεις αυτές θα μπορούσαν να στηρίξουν μονάδες ηλεκτροπαραγωγής 20MW και 5 ΜW, ενώ το πιθανό συνολικό δυναμικό υπολογίζεται να είναι την τάξης των 200MW και 50 MW αντίστοιχα. Στη Βόρεια Ελλάδα η γεωθερμία προσφέρεται για θέρμανση, θερμοκήπια, ιχθυοκαλλιέργειες κλπ. Στην λεκάνη του Στρυμόνα έχουν εντοπισθεί τα πολύ σημαντικά πεδία Θερμών-Νιγρίτας, Λιθότροπου-Ηράκλειας, Θερμοπηγής- Σιδηρόκαστρου και Αγγίστρου. Πολλές γεωτρήσεις παράγουν νερά μέχρι 75 C, συνήθως αρτεσιανά και πολύ καλής ποιότητας και παροχής. Μεγάλα και μικρότερα γεωθερμικά θερμοκήπια λειτουργούν στην Νιγρίτα και το Σιδηρόκαστρο. Στην πεδινή περιοχή του Δέλτα Νέστου έχουν εντοπισθεί δύο πολύ σημαντικά γεωθερμικά πεδία, στο Ερατεινό Χρυσούπολης και στο Ν. Εράσμιο Μαγγάνων Ξάνθης. Νερά αρίστης ποιότητας μέχρι 70 C και σε πολύ οικονομικά βάθη παράγονται από γεωτρήσεις στις εύφορες αυτές πεδινές περιοχές. Στην Ν. Κεσσάνη και στο Πόρτο Λάγος Ξάνθης, σε μεγάλης έκτασης γεωθερμικά πεδία, παράγονται νερά θερμοκρασίας μέχρι 82 C. Στην λεκάνη των λιμνών Βόλβης και Λαγκαδά έχουν εντοπισθεί τρία πολύ ρηχά πεδία με θερμοκρασίες μέχρι 56 C. Στην Σαμοθράκη υπάρχουν ενθαρρυντικά στοιχεία καθώς σε γεωτρήσεις βάθους μέχρι 100m βρέθηκαν νερά της τάξης των 100 C. Τα γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας είναι διάσπαρτα στη νησιωτική και ηπειρωτική Ελλάδα. Η συμβολή τους στο ενεργειακό ισοζύγιο μπορεί να γίνει σημαντική, καθόσον αποτελούν ενεργειακό πόρο φιλικό στο περιβάλλον, κοινωνικά αποδεκτό και παρουσιάζουν σημαντικό οικονομικό και αναπτυξιακό ενδιαφέρον. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ~ 25 ~

34 Το φωτοβολταϊκό πάρκο της Κύθνου, ισχύος 0,1MW ο πρώτος διασυνδεδεμένος φωτοβολταϊκός σταθμός που λειτούργησε στην Ευρώπη. Με το όρο ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζουμε το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο. Το φως και η θερμότητα που ακτινοβολούνται, απορροφούνται από στοιχεία και ενώσεις στη γη και μετατρέπονται σε άλλες μορφές ενέργειας. Όσον αφορά την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, θα μπορούσαμε να πούμε ότι χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: τα ενεργητικά θερμικά ηλιακά συστήματα, τα παθητικά ηλιακά συστήματα και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Η πιο απλή και διαδεδομένη μορφή των ενεργητικών θερμικών ηλιακών συστημάτων είναι οι γνωστοί σε όλους μας ηλιακοί θερμοσίφωνες, οι οποίοι απορροφούν την ηλιακή ενέργεια και στη συνέχεια, τη μεταφέρουν με τη μορφή θερμότητας σε κάποιο ρευστό, όπως το νερό για παράδειγμα. Η απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας γίνεται μέσω ηλιακών συλλεκτών, σκουρόχρωμων δηλαδή επιφανειών καλά προσανατολισμένων στον ήλιο, οι οποίες βρίσκονται σε επαφή με νερό και του μεταδίδουν μέρος της θερμότητας που παρέλαβαν. Το παραγόμενο ζεστό νερό χρησιμοποιείται για απλή οικιακή ή πιο σύνθετη βιομηχανική χρήση, τελευταία δε ακόμη και για τη θέρμανση και ψύξη χώρων μέσω κατάλληλων διατάξεων. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που λαμβάνουμε από τον ήλιο με φυσικό τρόπο. Αποτελούνται από δομικά στοιχεία, κατάλληλα σχεδιασμένα και συνδυασμένα μεταξύ τους, ώστε να υποβοηθούν την ~ 26 ~

35 εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας για τον φυσικό φωτισμό των κτιρίων ή για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας μέσα σε αυτά. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα αποτελούν την αρχή της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής και μπορούν να εφαρμοσθούν σε όλους σχεδόν τους τύπους κτιρίων, έτσι ώστε να προκύπτει λιγότερη ανάγκη για επιπρόσθετη θέρμανση. Πρώτο βήμα αυτής της έξυπνης αρχιτεκτονικής διάταξης αποτελεί η μόνωση του κτιρίου. Σε νέα κτίρια η κατάλληλη τοποθέτηση και ο κατάλληλος προσανατολισμός των παραθύρων μπορεί να μεγιστοποιεί την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, ενώ οι επιφάνειες στις οποίες προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία μέσα στο σπίτι θα πρέπει να έχουν σκούρο χρώμα. Τέλος το κτίριο θα πρέπει να έχει ογκώδεις εσωτερικούς τοίχους έτσι ώστε να περιορίζονται οι ημερήσιες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στην άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω των φωτοβολταϊκών κυττάρων των οποίων η λειτουργία βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα είναι κρυσταλλοδίοδοι οι οποίες αποτελούνται από ημιαγωγούς. Πρόκειται για συστήματα που εδώ και πολλά χρόνια, χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση μη διασυνδεδεμένων στο ηλεκτρικό δίκτυο καταναλώσεων. Δορυφόροι, φάροι και απομονωμένα σπίτια χρησιμοποιούν παραδοσιακά τα φωτοβολταϊκά για την ηλεκτροδότησή τους. Η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που παράγεται στον ήλιο. Φτάνει σχεδόν αμετάβλητη στο ανώτατο στρώμα της ατμόσφαιρας του πλανήτη μας, διαμέσου του διαστήματος, και στη συνέχεια κατά τη διέλευσή της από την ατμόσφαιρα υπόκειται σε σημαντικές αλλαγές, που οφείλονται στην σύσταση της ατμόσφαιρας. Ο ήλιος είναι ο αστέρας του ηλιακού μας συστήματος και το λαμπρότερο σώμα του ουρανού. Είναι σχεδόν μια τέλεια σφαίρα με διάμετρο 1,4 εκατομμύρια χιλιόμετρα (109 φορές περισσότερο από τη γη), και η μάζα του ( κιλά) αποτελεί το 99,86% της μάζας του ηλιακού συστήματος. Η φωτεινότητά του είναι τέτοια, ώστε κατά την διάρκεια της ημέρας να μην επιτρέπει, λόγω της έντονης διάχυσης του φωτός, σε άλλα ουράνια σώματα να εμφανίζονται. Η θερμοκρασία στο κέντρο του ήλιου είναι 10 6 Κ, θεωρούμε δε ότι ακτινοβολεί σφαιρικά σαν ένα μέλαν σώμα σε 5800Κ επιφανειακή θερμοκρασία. Η περιφορά της γης γύρω από τον ήλιο διαρκεί 365,2564 μέσες ηλιακές ημέρες (ή ένα αστρικό έτος) και η τροχιά της κίνησής της είναι ελλειπτική με τον ήλιο στη μία εστία και μήκος μεγάλου άξονα ,7km. Το μήκος του μεγάλου άξονα αποτελεί και την αστρονομική μονάδα (α.μ.) είναι μονάδα μέτρησης αποστάσεων και συμβολίζεται με το AU. Η ελλειπτικότητα της τροχιάς της γης αλλάζει, μεταξύ δύο τιμών: για σχεδόν κυκλική τροχιά (e=0.005) και για περισσότερο ελλειπτική τροχιά (e=0.058), έχοντας μια μέση τιμή e= Η μεταβολή αυτή συμβαίνει με μια μη σταθερή περίοδο, τάξεως δεκάδων έως εκατοντάδων χιλιάδων ετών (~ έτη). Η απόσταση γης ήλιου λόγω της ελλειπτικής τροχιάς ~ 27 ~

36 μεταβάλλεται περιοδικά, κατά τη διάρκεια του έτους, μεταξύ μιας μέγιστης τιμής, που παρατηρείται στις 4 Ιουλίου και ονομάζεται αφήλιο ( km) και της ελάχιστης που παρατηρείται στις 3 Ιανουαρίου και ονομάζεται περιήλιο ( km). Η διαφορά ανάμεσα στις δύο θέσεις ανέρχεται στα km. Με την παραδοχή ότι η ατμόσφαιρα της γης είναι απόλυτα διαφανής ή καλύτερα ότι η γη στερείται ατμόσφαιρας και η ηλιακή ενέργεια δεν υφίσταται καμία απορρόφηση, προκύπτει ότι η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στη γη δεν έχει την ίδια ένταση κατά τη διάρκεια όλων των μηνών σ ένα τόπο, αλλά και την ίδια χρονική στιγμή διαφέρει από τόπο σε τόπο. Στη γη φθάνει ένα πολύ μικρό τμήμα της συνολικά εκπεμπόμενης ισχύος από τον ήλιο. Η ένταση την ηλιακής ακτινοβολίας ελαττώνεται κατά τρόπο αντιστρόφως ανάλογο του τετραγώνου της απόστασης, καθώς απομακρυνόμαστε από την πηγή εκπομπής, δηλαδή τον ήλιο. Η ετήσια ακτινοβολούμενη ενέργεια από τον ήλιο στα όρια της γήινης ατμόσφαιρας ανέρχεται σε 5.47*10 24 Joules από την οποία ένα μικρό ποσοστό φθάνει στην επιφάνεια της γης. Η ακτινοβολούμενη ηλιακή ενέργεια είναι 600 φορές μεγαλύτερη από τις παγκόσμιες ενεργειακές ανάγκες του Όμως η μέση ηλιακή ενέργεια στη γήινη επιφάνεια είναι αρκετά χαμηλή (500cal/cm 2 ανά ημέρα), πράγμα που καθιστά απαραίτητη την κατασκευή συστημάτων μετατροπής της ενέργειας, με κόστος χαμηλό και υψηλή απόδοση. Η ηλιακή ενέργεια είναι ιδιαίτερα ελκυστική διότι είναι μετατρέψιμη σε άλλες μορφές ενέργειας με διάφορους τρόπους (φωτοσύνθεση, φωτοθερμική, κίνηση ανέμων, φωτοβολταϊκή κ.ά.) που αποκλείουν κινδύνους μόλυνσης του περιβάλλοντος και ζημιές στο οικολογικό σύστημα. Η χρήση της όμως είναι αρκετά δύσκολη εξ αιτίας της ημερήσιας ασυνέχειας της ακτινοβολίας και της διασποράς της. Αρχικά, η χρήση της ηλιακής ενέργειας ήταν περιορισμένη και χρησιμοποιούνταν σε εφαρμογές που απαιτούσαν μικρή ισχύ ενώ πολύ γρήγορα στράφηκαν σε εφαρμογές που απαιτούν μέσες ισχείς όπως: άντληση νερού, άδρευση, αγροτικός εξηλεκτρισμός με σκοπό να αντικαταστήσουν ή και να συμπληρώσουν τις ντιζελογεννήτριες ιδιαίτερα στις αναπτυσσόμενες χώρες. Σε πολλές περιοχές του πλανήτη τα ηλιακά συστήματα θέρμανσης νερού χρήσης, γνωστά και ως ηλιακά συστήματα Ζ.Ν.Χ (Ζεστό Νερό Χρήσης) μπορούν να καλύψουν από 50% έως 100% της ζήτησης ζεστού νερού στις κατοικίες. Φωτοβολταϊκά συστήματα συναντώνται σε μικρούς υπολογιστές και ρολόγια. Δορυφόροι, φάροι και απομονωμένα σπίτια χρησιμοποιούν παραδοσιακά τα φωτοβολταϊκά για την ηλεκτροδότησή τους. Η πιο διαδεδομένη χρήση των ηλιακών συστημάτων είναι στους ηλιακόυς θερμοσίφωνες. Στα παθητικά συστήματα για τη θέρμανση χώρων χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι, όπως ο τοίχος Trombe, τα συστήματα άμεσου κέρδους με ανοίγματα εισόδου της ηλιακής ακτινοβολίας, οι τοίχοι θερμικής διόδου και οι ημιδιαφανείς τοίχοι. Τέλος τα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με την κατευθείαν μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική λειτουργώντας είτε αυτόνομα, είτε σε συνεργασία με το διασυνδεδεμένο δίκτυο. Μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση μπορεί να αποτελεί λοιπόν ένα αυτόνομο σύστημα που ~ 28 ~

37 να καλύπτει το σύνολο των ενεργειακών αναγκών ενός κτιρίου ή μιας επαγγελματικής χρήσης. Σ αυτή την περίπτωση, για τη συνεχή εξυπηρέτηση του καταναλωτή, η εγκατάσταση θα πρέπει να περιλαμβάνει και μια μονάδα αποθήκευσης (μπαταρίες) και διαχείρισης της ενέργειας. Ή εναλλακτικά, ένα σύστημα παραγωγής ηλεκτρισμού με φωτοβολταϊκά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με το δίκτυο της ΔΕΗ (διασυνδεδεμένο σύστημα). Στην περίπτωση αυτή, καταναλώνει κανείς ρεύμα από το δίκτυο όταν το φωτοβολταϊκό σύστημα δεν επαρκεί (π.χ. όταν έχει συννεφιά ή κατά τη διάρκεια της νύχτας) και δίνει ενέργεια στο δίκτυο όταν η παραγωγή υπερκαλύπτει τις ανάγκες του, π.χ. τις ηλιόλουστες ημέρες ή όταν λείπει κανείς. Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα της Ηλιακής Ενέργειας Η ηλιακή ενέργεια είναι πρωτογενής, ήπια και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας η οποία έμμεσα δίνει γένεση σε άλλες τρεις ήπιες και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας: την υδραυλική, την αιολική και την ενέργεια της βιομάζας. Τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση της ηλιακής ενέργειας είναι: Προέρχεται από τον ήλιο, είναι δηλαδή ανεξάντλητη. Δεν έχει κόστος καθώς η ενέργεια από τον ήλιο είναι ο μόνος πόρος που απαιτείται για την τροφοδοσία των ηλιακών συλλεκτών και μας παρέχεται πλουσιοπάροχα και δωρεάν. Δε μολύνει το περιβάλλον και δεν παράγει θόρυβο, δεν έχει επιβλαβείς εκπομπές και δεν παράγει ρυπογόνα αέρια. Η καύση των φυσικών πόρων για την παραγωγή ενέργειας μπορεί να δημιουργήσει καπνό, να προκαλέσει όξινη βροχή, ρύπανση του νερού. Η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιεί μόνο την ισχύ του ήλιου ως καύσιμο. Δε δημιουργεί επιβλαβή υποπροϊόντα και συμβάλλει ενεργά στην προστασία του πλανήτη. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με τη βοήθεια των ηλιακών κυττάρων και κατ επέκταση των φωτοβολταϊκών συστημάτων συνοδεύεται από μια σειρά πλεονεκτήματα τα βασικότερα των οποίων είναι τα εξής: Τα φωτοβολταϊκά συστήματα λειτουργούν χωρίς κινητά μέρη, είναι πολύ ασφαλή και αξιόπιστα, με ελάχιστη ανάγκη για συντήρηση και έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής (η εκτιμώμενη διάρκεια ζωής μια φωτοβολταϊκής μονάδας είναι 30 χρόνια και αρκεί μια επιθεώρηση μια φορά τον μήνα). Επιπλέον, έχουν σταθερή απόδοση με την πάροδο των χρόνων (μετά από 25 χρόνια λειτουργίας η απόδοσή τους φτάνει μέχρι και πάνω από 80% της αρχικής). Λειτουργούν χωρίς καύσιμα και δεν παράγουν έτσι βλαβερά αέρια απόβλητα. Παρέχεται η δυνατότητα αυτονόμησης από τα κέντρα διανομής και έτσι είναι δυνατό ένα σύνολο καταναλωτών να τροφοδοτείται απ ευθείας από την ενέργεια που παράγουν οι φωτοβολταϊκοί σταθμοί. Τηλεπικοινωνιακά συστήματα σε απομακρυσμένες περιοχές είναι μια πολύ συνηθισμένη χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων. ~ 29 ~

38 Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία κατασκευάζονται από πυρίτιο (Si), ένα από τα πλέον εν αφθονία και μη τοξικά στοιχεία (το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο υλικό της γης) και είναι δυνατό να συναρμολογηθούν τυποποιημένα στοιχεία μαζικής παραγωγής σε σύστημα οποιουδήποτε μεγέθους (και βαθμό απόδοσης πρακτικά ανεξάρτητο του μεγέθους) για να καλύψουν μικρές, μέσες και μεγάλες ενεργειακές ανάγκες. Είναι αποδοτικά σε χαμηλές θερμοκρασίες και λειτουργούν και με νεφελώδη ουρανό. Παρουσιάζουν γρήγορη απόκριση σε ξαφνικές μεταβολές της ηλιοφάνειας και έχουν μεγάλες δυνατότητες σε μια ευρεία περιοχή ισχύων ( από mw μέχρι ΜW). Αν ένα κομμάτι πάθει βλάβη, το σύστημα συνεχίζει τη λειτουργία του μέχρι την αντικατάστασή του. Η εκμετάλλευση όμως της ηλιακής ενέργειας είναι ένα δύσκολο τεχνολογικά πρόβλημα, καθώς παρουσιάζει και κάποια μειονεκτήματα τα οποία είναι: Έχει μικρή ένταση ανά μονάδα επιφάνειας γεγονός που απαιτεί τη χρησιμοποίηση μεγάλων σχετικά φωτοβολταϊκών επιφανειών. Είναι διαθέσιμη μόνο ένα μέρος της ημέρας και εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες και η αποθήκευσή της είναι δαπανηρή. Το μέλλον της Ηλιακής Ενέργειας Τα φωτοβολταϊκά και η ηλιακή ενέργεια ουσιαστικά αναπτύχθηκαν την τελευταία δεκαετία και αναμένεται να σημειώσουν μεγαλύτερη άνθιση τα επόμενα χρόνια. Σύμφωνα με τον Ευρωπαϊκό Σύνδεσμο Φωτοβολταϊκών Βιομηχανιών (European Photovoltaic Industry Association EPIA) στο τέλος του 2010 η εγκατεστημένη ισχύς ήταν 40GW παγκοσμίως, σημειώνοντας αύξηση της τάξης του 80% σε σχέση με το 2009 που ήταν 7,2GW. Η Ευρωπαϊκή Ένωση συμβάλλει σε ποσοστό πάνω από 60% σε παγκόσμιο επίπεδο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο. Εκτιμάται ότι σήμερα πάνω από 3 εκατομμύρια νοικοκυριά στην Ευρώπη καλύπτουν τις ενεργειακές τους ανάγκες με ενέργεια που παράγεται από την ηλιακή ενέργεια. Μέχρι το 2020, προσδοκάται ότι η ηλιακή ενέργεια μπορεί να γίνει μια επικρατούσα πηγή ενέργειας στην Ευρώπη καλύπτοντας έως και το 12% της ζήτησης, αντιπροσωπεύοντας έτσι 390GW εγκατεστημένης ισχύος και 460 TWh της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό, είναι δυνατόν να επιτευχθεί με τις κατάλληλες πολιτικές (συνεχής μείωση του κόστους των εγκαταστάσεων εκσυγχρονισμός του δικτύου υποδομών, εισαγωγή των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, βελτίωση της αποθήκευσης, κλπ.) και με τη δυναμική εισαγωγή Γερμανίας και Ισπανίας στην αγορά των φωτοβολταϊκών. ~ 30 ~

39 Σε παγκόσμιο επίπεδο, τα ηλιακά φωτοβολταϊκά σημείωσαν μια αυξητική τάση το 2011, ακόμη και εν μέσω μιας χρηματοπιστωτικής και οικονομικής κρίσης. Η Κίνα ήταν η κορυφαία μη ευρωπαϊκή αγορά φωτοβολταϊκών το 2011, με 2,2GW εγκατεστημένη ισχύ, ακολουθούμενη από τις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής με 1,9GW. Οι Ηνωμένες Πολιτείες σημειώνουν σημαντικούς ρυθμούς ανάπτυξης χάρη στα μεγάλα έργα, το σύστημα του leasing και τις χαμηλές τιμές στα φωτοβολταϊκά στοιχεία και η εγκατεστημένη ισχύς εκεί διπλασιάστηκε το 2012 σε σύγκριση με το Υπερδιπλασιασμός της εγκατεστημένης ισχύος αναμένεται και στην Κίνα η οποία έχει θέσει στόχο τα 21GW στα φωτοβολταϊκά ως το Η Ιαπωνία από την άλλη πλευρά έχει θέσει τον φιλόδοξο στόχο των 28GW ως το 2030 ανακοινώνοντας ένα 20ετές πρόγραμμα εγγυημένων τιμών. Τέλος, η Ινδία είναι μια από τις ταχύτερα αναπτυσσόμενες αγορές ηλιακής ενέργειας στον κόσμο με στόχο τα 20GW ως το Οι νήσοι Τοκελάου είναι μία από τις πλέον απομακρυσμένες χώρες του κόσμου - και η πρώτη, πλήρως ενεργειακά τροφοδοτούμενη από φωτοβολταϊκά. Το σύστημα του 1MW που έχει εγκατασταθεί εκεί αποτελεί το μεγαλύτερο αυτόνομο σύστημα παραγωγής ενέργειας στον κόσμο. Το σύστημα ξεπερνάει τις παρούσες ενεργειακές ανάγκες των κατοίκων των νησιών και καλύπτει κατά 100% τις υποχρεώσεις τους, ως προς την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. Χρήση της Ηλιακής Ενέργειας στην Ελλάδα Ο ήλιος είναι μια ανεξάντλητη πηγή ενέργειας η οποία μπορεί να μετατραπεί είτε άμεσα είτε έμμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα εκμεταλλεύονται απευθείας την ηλιακή ενέργεια μετατρέποντάς την σε ηλεκτρική χάρη στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το υψηλό ηλιακό δυναμικό της Ελλάδας καθιστά την αξιοποίηση της παραπάνω τεχνολογίας ιδιαίτερα αποδοτική. Η Ελλάδα είναι η δεύτερη χώρα στην Ευρώπη μετά την Γερμανία σε συνολική εγκατεστημένη επιφάνεια ηλιοσυλλεκτών. Περίπου το 30% των νοικοκυριών χρησιμοποιούν ηλιακούς θερμοσίφωνες. Το κόστος μιας τέτοιας εγκατάστασης λειτουργεί αποτρεπτικά σε συνδυασμό με τα ανύπαρκτα φορολογικά κίνητρα, παρά το γεγονός ότι η προσφερόμενη οικονομία στην κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος που μπορεί να προσφέρει η εγκατάσταση εξασφαλίζει απόσβεση του κόστους τα επόμενα 5 με 10 χρόνια. Για μια χώρα με μεγάλη ηλιοφάνεια όπως η Ελλάδα, η ηλιακή ενέργεια θα έπρεπε να αποτελεί ανεξάντλητο ενεργειακό πόρο. Όμως, όσο αναφορά την ηλιακή ενέργεια η παραγωγή της μέσω των φωτοβολταϊκών δεν αξιοποιείται αρκετά. Σήμερα, αξιοποιείται η ενέργεια του ήλιου για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω των 8 φωτοβολταϊκών πάρκων που βρίσκονται σε λειτουργία σε 3 νησιώτικες περιοχές της χώρας, στη Σίφνο, στην Κύθνο και την Κρήτη. Μάλιστα, το ~ 31 ~

40 φωτοβολταϊκό πάρκο της Κύθνου, το οποίο δημιουργήθηκε το 1983, ήταν το πρώτο έργο, τέτοιου είδους που λειτούργησε στην Ευρώπη. Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς των φωτοβολταϊκών πάρκων στη χώρα μας είναι 700KW ενώ η ΔΕΗ Ανανεώσιμες προχωρά στην ανάπτυξη σημαντικών φωτοβολταϊκών έργων. Πιο συγκεκριμένα η εταιρεία προχωρά στην ανάπτυξη ενός από τα μεγαλύτερα φωτοβολταϊκά πάρκα στον κόσμο, στην περιοχή της Μεγαλόπολης. Το πάρκο θα έχει συνολική ισχύ 50 MW και υπολογίζεται ότι η ενεργειακή παραγωγή του θα καλύπτει το 42% των ενεργειακών αναγκών του Ν. Αρκαδίας, ποσοστό το οποίο αντιστοιχεί σε νοικοκυριά. Η συμβολή του έργου στην προστασία του περιβάλλοντος πρόκειται να είναι ανεκτίμητη, καθώς από τη λειτουργία του θα παράγονται περίπου MWh/έτος και θα αποφεύγεται η εκπομπή τόνων διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), 680 τόνων διοξειδίου του θείου (SO 2 ) και 131 τόνων νιτρικού οξειδίου (ΝΟ) και νιτρικού διοξειδίου (ΝΟ 2 ) ετησίως. Παράλληλα, το έργο αποτελεί το πρώτο βήμα για την ανάδειξη της περιοχής σε ενεργειακό κέντρο ανανεώσιμων πηγών ενέργειας της χώρας μας. Επιπλέον, η ΔΕΗ Ανανεώσιμες προχωρά στην ανάπτυξη φωτοβολταϊκών πάρκων ισχύος 200MW στην περιοχή της Πτολεμαΐδας, το οποίο θα είναι και το μεγαλύτερο φωτοβολταϊκό πάρκο στον κόσμο και 9,7MW στον υδροηλεκτρικό σταθμό Στράτου Αιτωλοακαρνανίας. Ακόμα, σε συνεργασία με την ΕΤΒΑ ΒΙΠΕ ΑΕ, προχωρά στην ανάπτυξη 34,7MW σε διάφορες βιομηχανικές περιοχές της χώρας. Τέλος, η εταιρεία προγραμματίζει την εγκατάσταση φωτοβολταϊκών σταθμών μικρής ισχύος σε στέγες κτιρίων. Παρακάτω ακολουθεί κατάλογος έργων σε λειτουργία και υπό ανάπτυξη, με την ισχύ κάθε έργου σε MW: Φωτοβολταϊκά Πάρκα υπό ανάπτυξη Περιοχή Ισχύς (MW) Φ/Β Πάρκο Στράτος Αγρινίου 9,7 Φ/Β Πάρκο Μεγαλόπολης 50 Φ/Β Πάρκο Πτολεμαΐδας 200 Φ/Β Στέγες ΔΕΗ Αθήνας 0,79 Φ/Β Στέγες ΔΕΗ Θεσσαλονίκης 0,35 Σύνολο 260,84 Φωτοβολταϊκά Πάρκα που έχουν εγκατασταθεί ~ 32 ~

41 Περιοχή Ισχύς (MW) Φ/Β Αθερινόλακκος Κρήτης 0,48 Φ/Β Πάρκο Κύθνου 0,1 Φ/Β Πάρκο Σίφνου 0,06 Φ/Β Σταθμός ΕΘΕλ 0,02 Φ/Β Σταθμός Ειρήνης, ΗΣΑΠ 0,02 Φ/Β Σταθμός ΗΛΠΑΠ 0,02 Σύνολο 0,7 ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Γεννήτρια κυματικής ενέργειας Η κυματική ενέργεια, είναι ένας καινούριος τρόπος παραγωγής ενέργειας από τη δυναμική ενέργεια που μεταφέρουν τα κύματα της θάλασσας. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι παραγωγής ενέργειας από τα κύματα, αλλά μια από τις αποτελεσματικότερες λειτουργεί όπως μια μηχανή κυμάτων πισινών. Σε έναν σταθμό παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος κυμάτων, η άφιξη των κυμάτων προκαλεί άνοδο και πτώση του νερού εντός του θαλάμου του σταθμού, το οποίο προκαλεί τον αέρα να κινείται μέσα και έξω από μια τρύπα στην κορυφή του θαλάμου. Σε αυτή την ~ 33 ~

42 τρύπα τοποθετείται μια τουρμπίνα, η οποία γυρίζει με την κίνηση του αέρα μέσα έξω, με αποτέλεσμα η τουρμπίνα να λειτουργεί ως γεννήτρια. Ένα πρόβλημα σε αυτό το σχέδιο είναι ότι ο κινούμενος αέρας μπορεί να είναι πολύ θορυβώδης, εκτός και αν εγκατασταθεί στο στρόβιλο σιγαστήρας. Παρόλα αυτά ο θόρυβος δεν είναι τεράστιο πρόβλημα, δεδομένου ότι τα κύματα κάνουν αρκετό θόρυβο από μόνα τους. Το σύστημα εκμεταλλεύεται την ταχύτητα του κύματος, το ύψος, το βάθος και τη ροή του κάτω από το πλησιάζον κύμα, παράγοντας κατά συνέπεια την ενέργεια αποτελεσματικότερα και φτηνότερα από άλλα θαλάσσια κύματα και τις υπόλοιπες συμβατικές τεχνολογίες. Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα της Κυματικής Ενέργειας Η παραγωγή ηλεκτρισμού από τον ήλιο, τον αέρα και τη βιομάζα είναι προ πολλού γνωστή στο πεδίο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Σε εμβρυακό στάδιο βρίσκεται ακόμη όμως η τεχνική παραγωγής ηλεκτρισμού μέσω των θαλάσσιων κυμάτων. Τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την χρήση της ενέργειας των κυμάτων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι: Η αποδεδειγμένη ύπαρξη μεγάλων ενεργειακών ρευμάτων στην ανοιχτή θάλασσα. Η παραγόμενη ισχύς είναι ανάλογη του τετραγώνου του πλάτους του κύματος και ανάλογη της περιόδου του (η περίοδος όμως των κυμάτων είναι πολύ μικρή 0,1Hz, γεγονός που αποτελεί και μειονέκτημα). Τα θαλάσσια κύματα είναι μια ισχυρή πηγή ενέργειας. Ωστόσο, το πρόβλημα είναι ότι δεν είναι εύκολο να χρησιμοποιηθεί αυτή η ενέργεια για να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια σε μεγάλα ποσά. Τα μειονεκτήματα που υπάρχουν από τη χρήση των κυμάτων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι: Τα κύματα έχουν ακανόνιστη μορφή (πλάτος, φάση, διεύθυνση) και γι αυτό το λόγο υπάρχει δυσκολία στην κατασκευή διατάξεων που να καλύπτουν λειτουργικά πολλές μεταβλητές μεγάλου εύρους. Η μέγιστη ένταση συναντάται σε κύματα μακριά από την ακτή και ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες υπάρχει πιθανότητα κυμάτων ακραίας έντασης (10 φορές μεγαλύτερη της μέσης τιμής). Η ενέργεια των κυμάτων είναι αρκετά διασκορπισμένη και πολύ δύσκολη ως προς τη συλλογής της, αφού βρίσκεται μακριά από τους τόπους κατανάλωσης. Υπάρχει μεγάλη δυσκολία στην κατασκευή, συντήρηση και ασφάλεια τέτοιων σταθμών παραγωγής και επομένως μεγάλο κόστος παραγωγής που τους καθιστά αντιοικονομικούς. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βοστόνης βρήκαν τη λύση για να παράγουν φτηνή, καθαρή ενέργεια από τα κύματα της θάλασσας. Η ιδέα τους είναι να στείλουν πλοία στη μέση του ωκεανού και τα πλοία αυτά να συλλέγουν την ενέργεια που παράγεται από την κίνηση που προκαλούν τα κύματα. ~ 34 ~

43 Η ενέργεια που θα συλλέγεται θα αποθηκεύεται σε μεγάλες μπαταρίες πάνω στο πλοίο και όταν οι μπαταρίες γεμίσουν τα πλοία θα επιστρέφουν και η ενέργεια που έχει συλλεχθεί θα τροφοδοτεί το δίκτυο. Η εκμετάλλευση της κυματικής ενέργειας μέχρι τώρα απαιτούσε ακριβά καλώδια που μεταφέρουν την ενέργεια που παράγεται από τα κύματα στη στεριά, ανεβάζοντας πολύ το κόστος του ηλεκτρισμού που παράγεται από κυματική ενέργεια. Η συλλογή της ενέργειας των κυμάτων με πλοία θα μπορούσε να ρίξει το κόστος σχεδόν στο 50% και το κάθε πλοίο μπορεί να συλλέγει αρκετά MW ενέργειας μέσα σε περίπου 20 ώρες που θα βρίσκεται στον ωκεανό. H Ενέργεια των Κυμάτων σε Ευρωπαϊκό Επίπεδο Το Oregon State University έχει εκτιμήσει έπειτα από μελέτες ότι αν μπορούσε να αξιοποιηθεί το 0,2% της ανεκμετάλλευτης ενέργειας των ωκεανών, τότε θα μπορούσε να παραχθεί επαρκής ενέργεια για ολόκληρο τον κόσμο. Η πρώτη εφαρμογή της νέας τεχνικής παραγωγής ηλεκτρισμού για εμπορική χρήση έγινε στο Μουτρίκο. Στο μικρό χωριό της Χώρας των Βάσκων, που βρίσκεται στις ακτές του Ατλαντικού, 30 χλμ. δυτικά του Σαν Σεμπαστιάν, στήθηκε και λειτουργεί η πρώτη μονάδα που μετασχηματίζει τη δύναμη των κυμάτων σε ηλεκτρισμό. Η παραγόμενη ενέργεια καλύπτει τις ανάγκες των 600 από τους συνολικά κατοίκους. Οι επικριτές του έργου καταγγέλλουν την καθυστέρηση 2 ετών για την ολοκλήρωσή του, καθώς και το υψηλότατο κόστος κατασκευής του (7 εκ. ευρώ) σε συνάρτηση με την ετήσια παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, η οποία ανέρχεται μόλις στις 600 κιλοβατώρες. Ένα ακόμα σύστημα παραγωγής ενέργειας από τα κύματα για εμπορική εφαρμογή άρχισε να λειτουργεί στο νησάκι Islay της Σκωτίας. Η εταιρεία Seagen Rotor Marine Current Turbines, έχει τοποθετήσει στο Strangford Narrows, 400 μέτρα από την ακτή, στην Βόρεια Ιρλανδία σύστημα παραγωγής ενέργειας από τα κύματα, με δυναμικότητα 1,2MW. Οι 4 γεννήτριες διαμέτρου 16 μέτρων παράγουν ενέργεια για σπίτια. Η Πορτογαλία έφτιαξε τον Agucadoura, την πρώτη παγκοσμίως φάρμα κυμάτων, που αποτελείται από τρεις μετατροπείς ενέργειας κυμάτων, που παράγουν συνολικά 2,25MW. Οι μακριές μεταλλικές συσκευές, ανεβοκατεβαίνουν με τα κύματα, ενώ εσωτερικά πιστόνια σταθερά στερεωμένα, αντλούν υδραυλικά υγρό. Αυτό κινεί ηλεκτρικές γεννήτριες, η ενέργεια των οποίων μεταφέρεται στη στεριά μέσω υποθαλάσσιων ηλεκτρικών καλωδίων. Η φάρμα κυμάτων παράγει τώρα σταθερά συνεχή, ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια για τις ανάγκες νοικοκυριών. ~ 35 ~

44 ΠΑΛΙΡΡΟΙΑ Παλιρροϊκός σταθμός παραγωγής στις εκβολές του ποταμού La Rance της βόρειας Γαλλίας Ενέργεια από παλίρροιες ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται κατά την διάρκεια της παλίρροιας, με αποδοτικότητα που μπορεί να φτάσει σε ποσοστό 80% κατά τη διαδικασία μετατροπής της ενέργειας του νερού σε ηλεκτρική. Παλίρροια ονομάζεται το φυσικό φαινόμενο της περιοδικής ανόδου και καθόδου της στάθμης του νερού των θαλασσών, είναι δηλαδή οι οριζόντιες μετατοπίσεις της θαλάσσιας μάζας που έχουν ως αποτέλεσμα τις αυξομειώσεις της θαλάσσιας στάθμης. Αρχικά, η θάλασσα αποσύρεται και η κίνηση αυτή ονομάζεται άμπωτη, έπειτα η θάλασσα επανέρχεται και η κίνηση αυτή ονομάζεται πλημμυρίδα. Το φαινόμενο αυτό που επαναλαμβάνεται δύο φορές το εικοσιτετράωρο οφείλεται στην κλίση και τη βαρυτική έλξη της σελήνης πάνω στη γη, στην περιστροφή της γης, στην έλξη του ήλιου πάνω στη γη και τέλος στις μετεωρολογικές συνθήκες. Παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής είναι ένας ηλεκτρικός σταθμός ισχύος που μετατρέπει την ενέργεια των παλιρροιών της θάλασσας σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής εκμεταλλεύεται τη διαφορά στάθμης του ύδατος κατά τη πλημμυρίδα και την άμπωτη. Όταν ένα φράγμα κλείσει τον κόλπο ή τις εκβολές ενός ποταμού που ρέει στη θάλασσα ή στον ωκεανό, σχηματίζεται υδατοδεξαμενή, που καλείται λεκάνη παλιρροϊκού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής. Αν η πλημμυρίδα προκαλεί αρκετή διαφορά ύψους (πάνω από 4 μέτρα) μπορεί να δημιουργηθεί αρκετή πίεση για να περιστρέψει υδροστρόβιλους συνδεδεμένους με ηλεκτρογεννήτριες που έχουν εγκατασταθεί στο φράγμα. Παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με λεκάνη, που λειτουργεί σε κανονικό ~ 36 ~

45 παλιρροϊκό κύκλο 12 ωρών, μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια αδιάκοπα για 4 ή 5 ώρες, τέσσερις φορές την ημέρα, με αντίστοιχα διαλείμματα μιας ή δύο ωρών. (Ο παλιρροϊκός αυτός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής καλείται σταθμός μιας λεκάνης και δύο κύκλων). Για να αποφευχθεί η ανομοιόμορφη παραγωγή ηλεκτρισμού η λεκάνη του παλιρροϊκού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής μπορεί να χωριστεί με φράγματα σε δύο ή τρεις μικρότερες. Στην πρώτη λεκάνη η στάθμη ύδατος διατηρείται στη στάθμη της άμπωτης και στη δεύτερη στη στάθμη πλημμυρίδας ενώ η τρίτη λεκάνη είναι εφεδρική. Η γεννήτρια υδραυλικού κινητήρα εγκαθίσταται στα διαχωριστικά φράγματα. Αλλά ακόμα και αυτή η διάταξη δεν αποτρέπει εντελώς τις διακυμάνσεις της ηλεκτρικής ισχύος που προκαλούνται από την περιοδική υφή των παλιρροιών σε περίοδο μισού μήνα. Όταν ο παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής περιληφθεί σε ένα σύστημα ηλεκτρικής ισχύος με άλλους, μεγάλης ισχύος θερμικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, περιλαμβανομένων και πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγει μπορεί να βοηθήσει για την κάλυψη των αναγκών αιχμής του συστήματος. Αν το σύστημα περιλαμβάνει υδροηλεκτρικούς σταθμούς με υδατοδεξαμενές για εποχιακή ρύθμιση, ο παλιρροϊκός σταθμός μπορεί να αντισταθμίσει τις διακυμάνσεις της παλιρροϊκής ενέργειας, που παρουσιάζονται κατά την περίοδο ενός μηνός. Οι γεννήτριες τυμπάνου διυδραυλικών κινητήρων που εγκαθίστανται στους παλιρροϊκούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, μπορούν να λειτουργούν με σχετικά υψηλό βαθμό απόδοσης σε άμεσα ή ανάστροφα συστήματα γεννήτριας και αντλίας και σαν ανοίγματα για τη ροή ύδατος. Κατά τις ώρες που η περίοδος χαμηλού φορτίου του συστήματος συμπίπτει με την άμπωτη ή την πλημμυρίδα οι γεννήτριες διυδραυλικών κινητήρων κλείνουν ή λειτουργούν σαν αντλίες κατευθύνοντας το νερό από τη λεκάνη κάτω της στάθμης της άμπωτης στη λεκάνη πάνω από τη στάθμη της πλημμυρίδας. Έτσι συσσωρεύεται ενέργεια μέχρι τη στιγμή της ζήτησης αιχμής. Όταν η πλημμυρίδα ή η άμπωτη συμπίπτουν χρονικά με το μέγιστο φορτίο του συστήματος ο παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής λειτουργεί σαν γεννήτρια. Κατά συνέπεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν εφεδρικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής. είναι: Υπάρχουν τρεις μέθοδοι παραγωγής ενέργειας από τις παλίρροιες, οι οποίες Παλιρροϊκές γεννήτριες ρεύματος: Συχνά αναφέρονται ως παλιρροϊκοί μετατροπείς ενέργειας. Είναι μηχανήματα που ουσιαστικά αντλούν ενέργεια από τις κινούμενες μάζες νερού, εκμεταλλεύονται τα παλιρροϊκά κύματα που έχουν ταχύτητα 2-3m/sec και παράγουν ηλεκτρισμό μεταξύ 4-13kW/m 2. Κάποια είδη αυτών των μηχανημάτων λειτουργούν σαν υποβρύχιες ανεμογεννήτριες και αναφέρονται ως παλιρροϊκές τουρμπίνες. Παλιρροϊκό φράγμα: Είναι από τις παλαιότερες μεθόδους παλιρροϊκής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ουσιαστικά πρόκειται για φράχτες που ~ 37 ~

46 μοιάζουν με μεγάλες περιστρεφόμενες πόρτες, που αρχικά επιτρέπουν στο νερό να ρέει στον κόλπο ή στο ποτάμι κατά τη διάρκεια υψηλής παλίρροιας και απελευθερώνουν το νερό κατά τη διάρκεια της άμπωτης. Οι γεννήτριες και οι μετασχηματιστές που χρησιμοποιούνται για να συλλάβουν την ενέργεια από την κίνηση των υδάτινων μαζών, μπορούν να τοποθετηθούν ψηλά έξω από το νερό και αυτό είναι το πλεονέκτημα ενός φράγματος. Παλιρροϊκοί στρόβιλοι: Πρόκειται για τον κύριο ανταγωνιστή των παλιρροιακών φρακτών μιας και έχουν χαμηλότερες υλικές απαιτήσεις. Μοιάζουν με μία υποβρύχια τουρμπίνα και προσφέρουν διάφορα πλεονεκτήματα σε σχέση με τον παλιρροιακό φράκτη. Είναι λιγότερο καταστρεπτικοί στην άγρια φύση, επιτρέποντας στις μικρές βάρκες να συνεχίσουν να χρησιμοποιούν την περιοχή, και έχουν πολύ χαμηλότερες υλικές απαιτήσεις από τον παλιρροϊκό φράκτη. Οι παλιρροιακοί στρόβιλοι λειτουργούν καλά όπου τα παράκτια ρεύματα τρέχουν με m/s (τα πιο αργά ρεύματα τείνουν να είναι αντιοικονομικά ενώ τα μεγαλύτερα βάζουν πολλή πίεση στον εξοπλισμό). Τέτοια ρεύματα παρέχουν μια ενεργειακή πυκνότητα τέσσερις φορές μεγαλύτερη από τον αέρα, σημαίνοντας ότι ένας στρόβιλος διαμέτρου 15m θα παραγάγει τόση ενέργεια όσο ένας ανεμόμυλος διαμέτρου 60m. Επιπλέον, τα παλιρροιακά ρεύματα είναι και προβλέψιμα και αξιόπιστα, ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα που τους δίνει ένα πλεονέκτημα και σε σύγκριση με τα αιολικά και ηλιακά συστήματα. Είναι περιστρεφόμενες μηχανές, οι οποίες μετατρέπουν τη δυναμική ενέργεια του νερού σε μηχανική και χωρίζονται σε δυο βασικούς τύπους: Στρόβιλοι ώσης (ή υψηλού φορτίου): Χρησιμοποιούνται σε σημεία που το νερό ρέει γρήγορα, αλλά η παροχή είναι χαμηλή. Στρόβιλοι αντίδρασης (ή χαμηλού φορτίου): Χρησιμοποιούνται για υψηλή παροχή νερού το οποίο όμως ρέει αργά. Μια υποθαλάσσια φτερωτή είναι ο πιο σύγχρονος τρόπος μετατροπής των δυνάμεων της θάλασσας σε ενέργεια. Η φτερωτή, που έχει άνοιγμα πτερύγων 12 μέτρα, αγκιστρώνεται στον πυθμένα με τη βοήθεια ενός σταθμού πρόσδεσης. Ανάμεσα στη φτερωτή και το ρεμέτζο υπάρχει ένα καλώδιο. Αυτό, από τη μια, συγκρατεί τη φτερωτή στη θέση της και, από την άλλη, μεταφέρει στη στεριά τον ηλεκτρισμό που παράγουν μια τουρμπίνα και μια γεννήτρια. Το συνολικό βάρος της κατασκευής είναι περίπου 7 τόνοι. Η φτερωτή, που ενεργοποιείται από την παλίρροια, συμπεριφέρεται όπως η ανεμογεννήτρια. Οι κινήσεις της κατευθύνονται με τη βοήθεια ενός πηδαλίου και, όπως κατέδειξαν τα πειράματα, οι κινήσεις σε σχήμα «8» παράγουν τη μέγιστη ποσότητα ενέργειας, δηλαδή γύρω στα 500kW. Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα της Παλιρροιακής Ενέργειας Αρχικά, η αξιοποίηση της παλιρροιακής ενέργειας χρησιμοποιήθηκε για την λειτουργία νερόμυλων κατά τον 11ο αιώνα. Κατά τη διάρκεια των προηγούμενων σαράντα ετών, έχει υπάρξει σταθερό ενδιαφέρον για την εκμετάλλευση της. Ούσα μια ~ 38 ~

47 αναπτυσσόμενη μορφή ενέργειας, οι μηχανισμοί της είναι σχετικά καινούριοι και έτσι ακόμα δεν έχουν μελετηθεί αρκετά. Απ όσα γνωρίζουμε μέχρι τώρα, τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την εκμετάλλευση της παλιρροιακής ενέργειας είναι: Παρουσιάζει υψηλή αποδοτικότητα που μπορεί να φτάσει σε ποσοστό 80% κατά τη διαδικασία μετατροπής της ενέργειας του νερού σε ηλεκτρική. Δε δημιουργεί στερεά ή αέρια απόβλητα τα οποία να μολύνουν το περιβάλλον ή να συμβάλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Έχει μικρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις όπως π.χ. μικρή αύξηση της θερμοκρασίας του νερού. Πέρα από τα πλεονεκτήματα, η χρήση της παλιρροιακής ενέργειας παρουσιάζει και ορισμένα μειονεκτήματα τα οποία είναι: Όπως κάθε καινούρια τεχνολογική συσκευή έχει πολύ μεγάλο κόστος κατασκευής και αρχικής εγκατάστασης. (Το κόστος κατασκευής του σταθμού στην εκβολή La Rance της Γαλλίας ήταν 2,5 φορές μεγαλύτερο από το κόστος συμβατικού ποτάμιου υδροηλεκτρικού σταθμού της ίδιας ισχύος). Μηχανισμοί αξιοποίησής της μπορούν να εγκατασταθούν μόνο σε ορισμένες περιοχές του πλανήτη. Στη χώρα μας για παράδειγμα, παρόλο βρέχεται από θάλασσα και έχει τόσα νησιά δεν μπορούμε να εγκαταστήσουμε τέτοια συστήματα. Μπορεί στις μεθόδους παραγωγής ενέργειας από την παλίρροια να μη χρησιμοποιούνται στερεά καύσιμα με αποτέλεσμα να είναι μειωμένη η εκπομπή αερίων θερμοκηπίου, ωστόσο δημιουργεί προβλήματα στο περιβάλλον. Με τη κατασκευή δεξαμενών στις εκβολές των ποταμών υπάρχει πιθανότητα να αυξηθεί το ίζημα καθώς και η θολερότητα του νερού. Πρέπει να ληφθεί μέριμνα έτσι ώστε η εγκατάσταση να γίνεται σε περιοχές που δεν επηρεάζεται η ναυσιπλοΐα, η αλιεία, ο τουρισμός κ.ά. H Παλιρροιακή Ενέργεια σε Παγκόσμιο Επίπεδο Αρχικά, το ενδιαφέρον για την παλιρροιακή ενέργεια εστιάστηκε στις εκβολές ποταμών, όπου οι μεγάλοι όγκοι του ύδατος περνούν μέσω των στενών καναλιών και παράγονται υψηλές τρέχουσες ταχύτητες. Οι μηχανικοί θεώρησαν ότι εμποδίζοντας τις εκβολές με ένα φράγμα και οδηγώντας το νερό μέσω των στροβίλων θα ήταν ένας αποτελεσματικός τρόπος να παραχθεί η ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό αποδείχθηκε από την κατασκευή ενός παλιρροιακού φράγματος στην εκβολή του ποταμού La Rance της βόρειας Γαλλίας, που κατασκευάστηκε το 1966 παλιρροϊκός σταθμός ισχύος 240MW. H διαφορά ύψους των νερών μεταξύ της πλημμυρίδας και της άμπωτης είναι h = 9,2m και η ροή της παλίρροιας εκτιμάται ότι είναι m 3 /s. Ο πρώτος πειραματικός παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής κατασκευάστηκε με έναν υδροηλεκτρικό σταθμό ισχύος στην Kislaya Guba της ~ 39 ~

48 θάλασσας Barents στη Murmansk της Ρωσσίας, μεταξύ των ετών 1963 και Η κατασκευή αυτή έκλεισε τον ισθμό του κόλπου και σχημάτισε λεκάνη παλιρροϊκού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής. Σε αυτό το σταθμό εγκαταστάθηκαν δύο αμφίστροφες γεννήτριες διυδραυλικού κινητήρα ισχύος 400kW η κάθε μια. Οι πρώτοι μεγάλης κλίμακας εμπορικοί φράκτες έχουν χτιστεί στη Νοτιοανατολική Ασία. Το πιο προηγμένο σχέδιο είναι για έναν φράκτη στο πέρασμα Dalupiri μεταξύ των νησιών Dalupiri και Samar στις Φιλιππίνες. Η περιοχή, από τη νότια πλευρά είναι περίπου 41m βαθιά (με ένα σχετικά επίπεδο κατώτατο σημείο) και έχει ένα μέγιστο παλιρροιακό ρεύμα περίπου 8 κόμβων. Κατά συνέπεια, ο φράκτης αναμένεται να παραγάγει μέχρι 2.200MW μέγιστη δύναμη (με έναν καθημερινό μέσο όρο 11.00MW). Οι Φιλιππίνες, η Ινδονησία, η Κίνα και η Ιαπωνία θα μπορούσαν όλες να αναπτύξουν τα υποβρύχια αγροκτήματα στροβίλων. Στην Ευρώπη, η πιο γνωστή παλιρροιακή εγκατάσταση λειτουργεί από τον Ιούλιο του 2008 στο Strangford Lough στη Βόρειο Ιρλανδία σε απόσταση 400m περίπου από την ακτή. Eίναι το μεγαλύτερο σύστημα παραγωγής ενέργειας στον κόσμο και έχει δυναμικότητα 1,2ΜW. Η συγκεκριμένη μονάδα ζυγίζει τόνους και στη βάση της υπάρχουν 4 υδροστρόβιλοι οι οποίοι λειτουργούν 18 με 20 ώρες την ημέρα, παράγοντας ενέργεια για περίπου νοικοκυριά. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει προσδιορίσει ήδη 106 περιοχές που θα ήταν κατάλληλες για τους στροβίλους, 42 από αυτές γύρω από το Ηνωμένο Βασίλειο. Ρεύματα που μπορούν να αξιοποιηθούν στο δίκτυο ηλεκτρικής παραγωγής βρίσκονται επίσης στα στενά της Μάγχης, στη Νότιο Ιρλανδία καθώς και στην περιοχή της Μεσσίνας στην Kάτω Ιταλία. Χρήση της Παλιρροιακής Ενέργειας στην Ελλάδα Μία πρωτοπόρα μονάδα παραγωγής ενέργειας που θα εκμεταλλεύεται τα παλιρροιακά ρεύματα του Ευρίπου πρόκειται να κατασκευαστεί στη Χαλκίδα. Στο ύψος της παλαιάς γέφυρας θα τοποθετηθεί ένα σύστημα υδροστρόβιλων, που θα λειτουργούν κάτω από τη θάλασσα και θα παράγουν ενέργεια αξιοποιώντας τα υποθαλάσσια ρεύματα του πορθμού. Τη μελέτη του έργου έχει αναλάβει το Ελληνικό Κέντρο Θαλασσίων Ερευνών μαζί με το Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΚΑΠΕ). Η ηλεκτρική ενέργεια που θα παράγεται από την παλίρροια θα αρκεί για να τροφοδοτήσει τις ανάγκες τουλάχιστον 200 νοικοκυριών ημερησίως. Οι δυσκολίες για την υλοποίηση του έργου είναι μεγάλες. Οι επιστήμονες αναζητούν την ιδανική τοποθεσία σε περιοχή που δεν επηρεάζει την κίνηση των διερχόμενων πλοίων. Σύμφωνα με τις μελέτες που έχουν γίνει, τα νερά του Ευρίπου παράγουν 2kW/m 2, δηλαδή η ισχύς του ρεύματος θα φτάνει τα 500kW. Παρ' όλα αυτά, η περαιτέρω ένταξη του έργου στον ενεργειακό σχεδιασμό της χώρας είναι ένα αρκετά δύσκολο σενάριο για να υλοποιηθεί, και έτσι η ενέργεια που ~ 40 ~

49 θα παράγεται θα προορίζεται αρχικά για την ηλεκτρική τροφοδότηση ενός κτιρίου που θα βρίσκεται κοντά στη γέφυρα της Χαλκίδας. ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Υδροηλεκτρικός σταθμός Αγίας Βαρβάρας Βέροιας, ισχύος 0,9MW Υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η ενέργεια που αποταμιεύεται ως δυναμική ενέργεια μέσα στο βαρυτικό πεδίο με τη συσσώρευση μεγάλων ποσοτήτων νερού σε υψομετρική διαφορά από τη συνεχή ροή ελεύθερου νερού και αποδίδεται ως κινητική ενέργεια μέσω της υδατόπτωσης. Η κινητική ενέργεια, στη συνέχεια, μπορεί είτε να χρησιμοποιείται αυτούσια (π.χ. νερόμυλοι), είτε να μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του αποθηκευμένου νερού και όσο υψηλότερα βρίσκεται, τόσο περισσότερη είναι η ενέργεια που περιέχει. Η εκμετάλλευση της ενέργειας των υδάτων γίνεται με τη χρήση υδροηλεκτρικών έργων (υδατοταμιευτήρες, φράγματα, κλειστοί αγωγοί πτώσεως, υδροστρόβιλοι, ηλεκτρογεννήτριες, διώρυγες φυγής). Οι υδροηλεκτρικές μονάδες εκμεταλλεύονται τη φυσική διαδικασία του κύκλου του νερού. Η ενέργεια του ήλιου, εξατμίζει το νερό των ωκεανών και των ποταμών της γης και το οδηγεί προς τα πάνω με τη μορφή υδρατμών. Όταν οι υδρατμοί φτάνουν στα ψυχρότερα στρώματα αέρα της ατμόσφαιρας, ~ 41 ~

50 συμπυκνώνονται και σχηματίζουν τα σύννεφα. Το νερό καταλήγει τελικά στη γη ως βροχή ή χιόνι, αναπληρώνοντας το νερό στους ωκεανούς και τα ποτάμια. Όσο ο κύκλος του νερού συνεχίζεται, δε θα ξεμείνουμε από αυτή την πηγή ενέργειας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια στηρίζεται στην εκμετάλλευση και μετατροπή της δυναμικής ενέργειας του νερού των λιμνών και της κινητικής ενέργειας του νερού των ποταμών σε ηλεκτρική ενέργεια. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, έχουμε την μετατροπή της κινητικής ενέργειας του νερού σε μηχανική ενέργεια. Αρχικά, «αποθηκεύουμε» την ενέργεια του νερού, συγκεντρώνοντάς το σε τεχνητές λίμνες (ταμιευτήρες), με τη βοήθεια φραγμάτων, σε μεγάλο υψόμετρο. Στη συνέχεια, εκμεταλλευόμαστε αυτή την αποθηκευμένη δυναμική ενέργεια μετατρέποντάς τη σε άλλη μορφή ενέργειας, αν αφήσουμε το νερό να ρέει μέσα σε αγωγούς με ταχύτητα, από τις υψηλότερες προς τις χαμηλότερες περιοχές. Λόγω της υψομετρικής διαφοράς h, μεταξύ της επιφάνειας του νερού στη δεξαμενή αποθήκευσης (ταμιευτήρα) και του στροβίλου, το νερό καθώς πέφτει με ταχύτητα, υπό πίεση, παρέχει κινητική ενέργεια στον υδροστρόβιλο. Στο δεύτερο στάδιο, έχουμε τη μετατροπή της μηχανικής (κινητικής) ενέργειας σε ηλεκτρική, μέσω της γεννήτριας η οποία τίθεται σε κίνηση από τον υδροστρόβιλο. Η ποσότητα της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας καθορίζεται από τον όγκο του νερού που ρέει, τη διαφορά μανομετρικού ύψους μεταξύ της ελεύθερης επιφάνειας του ταμιευτήρα και του στροβίλου, κ.ά. Συνεπώς, ο παραγόμενος ηλεκτρισμός εξαρτάται από την ποσότητα του νερού στον ταμιευτήρα. Όταν προκαλούμε γρήγορες αλλαγές της ηλεκτρικής ισχύος των υδροηλεκτρικών σταθμών, αυτές προκαλούν γρήγορες μεταβολές της ροής του νερού στους σωλήνες προσαγωγής νερού, που δημιουργούν κρουστικά κύματα (υδραυλικό πλήγμα), που είναι δυνατόν να καταστρέψουν τους σωλήνες. Γι αυτό χρησιμοποιείται η δεξαμενή εκτόνωσης κύματος. Το σύνολο των έργων και του εξοπλισμού μέσω των οποίων γίνεται η μετατροπή της ενέργειας των υδάτων σε ηλεκτρική, ονομάζεται υδροηλεκτρικό έργο. Υπάρχουν τρεις κυρίως τύποι υδροηλεκτρικών σταθμών: Μεγάλου h ή μεγάλης δεξαμενής αποθήκευσης (μεγάλης κλίμακας υδροηλεκτρικές μονάδες): απαιτούν τη δημιουργία φραγμάτων και τεράστιων δεξαμενών με σημαντικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Η δεξαμενή γεμίζει σε περισσότερες από 400 ώρες. Η κατασκευή φραγμάτων περιορίζει τη μετακίνηση των ψαριών, της άγριας ζωής και επηρεάζει ολόκληρο το οικοσύστημα καθώς μεταβάλλει ριζικά τη μορφολογία της περιοχής. Μέσου h ή μικρής δεξαμενής αποθήκευσης: η δεξαμενή γεμίζει σε 200 με 400 ώρες. Ένας μικρός υδροηλεκτρικός σταθμός αποτελεί ένα έργο απόλυτα συμβατό με το περιβάλλον, καθώς το σύνολο των επιμέρους παρεμβάσεων στην περιοχή εγκατάστασης του έργου μπορεί να ενταχθεί αισθητικά και λειτουργικά στα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος αξιοποιώντας τους ~ 42 ~

51 τοπικούς πόρους. Κατά τη λειτουργία τους, μέρος της ροής ενός ποταμού, οδηγείται σε στρόβιλο για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας και συνακόλουθα ηλεκτρικής μέσω της γεννήτριας. Η χρησιμοποιούμενη ποσότητα νερού κατόπιν επιστρέφει στο φυσικό ταμιευτήρα ακολουθώντας τη φυσική της ροή. Ροής ποταμών: εγκαθίστανται δίπλα σε ποτάμια ή κανάλια και η λειτουργία τους παρουσιάζει πολύ μικρή περιβαλλοντική όχληση. Είναι δυνατόν να δημιουργείται h από 3-5m και μικρές δεξαμενές που γεμίζουν σε λιγότερο από 2 ώρες. Δεν περιλαμβάνουν σημαντική περισυλλογή και αποταμίευση ύδατος και συνεπώς ούτε και κατασκευή μεγάλων φραγμάτων και ταμιευτήρων. Τύποι Υδροστροβίλων Η υψομετρική διαφορά h, μεταξύ της επιφάνειας του νερού στη δεξαμενή αποθήκευσης και του στροβίλου, παρέχει κινητική ενέργεια στο νερό που μεταδίδεται στον υδροστρόβιλο, που περιστρέφει τη γεννήτρια. Ένας υδροστρόβιλος είναι μια περιστρεφόμενη μηχανή που μετατρέπει τη δυναμική ενέργεια του νερού σε μηχανική ενέργεια. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι στροβίλων, γνωστοί ως «στρόβιλοι ώσης» και «στρόβιλοι αντίδρασης». Οι «στρόβιλοι ώσης» μετατρέπουν τη δυναμική ενέργεια του νερού σε κινητική ενέργεια μέσω μιας δέσμης νερού η οποία εκρέει από ένα ακροφύσιο και προσπίπτει επάνω στους κάδους ή τα πτερύγια του δρομέα. Οι «στρόβιλοι αντίδρασης» χρησιμοποιούν την πίεση αλλά και την ταχύτητα του νερού για να αναπτύξουν μηχανική ισχύ. Ο δρομέας κατακλύζεται πλήρως και τόσο η πίεση όσο και η ταχύτητα μειώνονται από την είσοδο προς την έξοδο. Ανάλογα με την τιμή της υψομετρικής διαφοράς h, οι υδροστρόβιλοι ταξινομούνται ως εξής: Στρόβιλοι τύπου Kaplan και έλικας. Στρόβιλοι τύπου Francis. Στρόβιλοι τύπου Pelton και άλλοι στρόβιλοι ώσης. Οι στρόβιλοι Kaplan και οι τύπου έλικας είναι αξονικής ροής στρόβιλοι αντίδρασης οι οποίοι γενικά λειτουργούν με τη φυσική ροή ποταμών, για μικρά ύψη πτώσης (συνήθως έως και 61m). O στρόβιλος Kaplan έχει στροφείο, που χρησιμοποιεί αξονική ροή νερού και ρυθμιζόμενα πτερύγια δρομέα και μπορεί να διαθέτει ή όχι ρυθμιζόμενα οδηγά πτερύγια. Εάν είναι ρυθμιζόμενα και τα πτερύγια του δρομέα και τα οδηγά πτερύγια, τότε ο στρόβιλος περιγράφεται ως «διπλής ρύθμισης», ενώ εάν είναι σταθερά τα οδηγά πτερύγια τότε λέγεται «απλής ρύθμισης». Στη συμβατική του έκδοση ο στρόβιλος Kaplan έχει ένα σπειροειδές περίβλημα (είτε από χάλυβα είτε από σιδηροπαγές σκυρόδεμα). Η ροή εισάγεται ακτινικά προς το εσωτερικό και εκτελεί μια στροφή ορθής γωνίας προτού εισέλθει στο δρομέα με αξονική κατεύθυνση. Όταν ο δρομέας έχει σταθερά πτερύγια, ο στρόβιλος είναι ~ 43 ~

52 γνωστός ως τύπου έλικας. Οι στρόβιλοι έλικας μπορούν να έχουν κινητά ή σταθερά οδηγά πτερύγια. Οι μη ρυθμιζόμενοι στρόβιλοι τύπου έλικας χρησιμοποιούνται μόνο όταν τόσο η παροχή όσο και το ύψος πτώσης παραμένουν πρακτικώς σταθερά. Οι στρόβιλοι Francis χρησιμοποιούνται για h από 37m 490m είναι στρόβιλοι αντίδρασης ακτινικής ροής, δηλαδή το νερό έχει μικρή ταχύτητα και μεγάλη πίεση και κατά τη ροή του από τον τροχό μειώνεται η πίεση και αυξάνεται η ταχύτητα. Η αντίδραση, που προκαλείται από τη μεταβολή της ταχύτητας, περιστρέφει τον τροχό. Γύρω από τον τροχό υπάρχει ο ακίνητος μεριστής, δηλαδή ένας αριθμός πτερυγίων που κατευθύνουν το νερό από τα πλάγια στα πτερύγια του τροχού. Οι στρόβιλοι Pelton χρησιμοποιούνται για h από 184m 1840m και είναι στρόβιλοι ώσης με μία ή πολλαπλές δέσμες καθεμία από τις οποίες εκρέει μέσα από ένα ακροφύσιο με μια βελονοβαλβίδα για τον έλεγχο της ροής. Το νερό κατευθύνεται με μεγάλη ταχύτητα σε έναν υδραυλικό τροχό με ρυθμιζόμενης ροής ακροφύσια. Είναι δηλαδή υδροστρόβιλος δράσης στον οποίο το νερό φθάνει αποκλειστικά με κινητική ενέργεια, μέσω αγωγών πίεσης. Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα της Υδροηλεκτρικής Ενέργειας Με δεδομένη την ύπαρξη κατάλληλων υδάτινων πόρων και τον επαρκή εφοδιασμό τους με τις απαραίτητες βροχοπτώσεις, οι υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις καθίστανται μια σημαντικότατη εναλλακτική πηγή ανανεώσιμης ενέργειας που παρουσιάζει τα παρακάτω πλεονεκτήματα: Είναι μια «καθαρή» και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, αφού η ηλεκτρική ενέργεια αποκτάται χωρίς ρύπανση του περιβάλλοντος, οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί δεν παράγουν ρυπογόνα αέρια και το «καύσιμο» ανανεώνεται κάθε χρόνο με το χιόνι και τις βροχοπτώσεις. Συμβάλλει στην εξοικονόμηση συναλλάγματος, αφού αποτελεί μια τοπική πηγή ενέργειας που αποκλείει την ενεργειακή εξάρτηση μιας χώρας από κάποια άλλη. Είναι ο φθηνότερος τρόπος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (σήμερα, το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς είναι λιγότερο από 1cent/kWh, σε σύγκριση με το κόστος παραγωγής από μία θερμική εγκατάσταση που είναι 4cent/kWh). Αυτό συμβαίνει γιατί από τη στιγμή που εγκαθίσταται ένα υδροηλεκτρικό φράγμα και το σύνολο του εξοπλισμού, η ενεργειακή πηγή, δηλαδή το νερό, είναι δωρεάν χωρίς να απαιτείται μεγάλο κόστος συντήρησης. Είναι δυνατό να τεθούν σε λειτουργία αμέσως μόλις απαιτηθεί, σε αντίθεση με τους θερμικούς σταθμούς που απαιτούν σημαντικό χρόνο προετοιμασίας, εκκίνησης και ανάληψης φορτίου. ~ 44 ~

53 Σχεδιάζονται έτσι ώστε να εξυπηρετούν πολλούς σκοπούς, όπως ύδρευση, άρδευση, ανάσχεση χειμάρρων, διευκόλυνση της ναυσιπλοΐας, δημιουργία υγροτόπων, περιοχών αναψυχής και αθλητισμού. Δυστυχώς, οι κατάλληλες εδαφικές συνθήκες για την κατασκευή υδροηλεκτρικών σταθμών δεν υπάρχουν πάντοτε. Τα παραπάνω ελκυστικά χαρακτηριστικά επισκιάζονται από κάποια μειονεκτήματα που οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί παρουσιάζουν, και τα οποία σχετίζονται με τη δημιουργία έργων μεγάλης κλίμακας και είναι: Το υψηλό κόστος των έργων πολιτικού μηχανικού, που απαιτούν αυτοί οι σταθμοί, όπως επίσης και το γεγονός ότι η σχεδίαση και κατασκευή τους απαιτεί πέντε έως οχτώ χρόνια. Οικολογικοί και βιολογικοί συντελεστές θέτουν στενά όρια για την αξιοποίηση των υδάτινων πηγών στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα φράγματα των ποταμών, αλλάζουν μόνιμα τη μορφή των υδάτινων συστημάτων, τόσο τη χλωρίδα όσο και την πανίδα (μέρος του ποταμού μπορεί να αποξηρανθεί, προκύπτουν επιπτώσεις στα ψάρια). Επιπλέον, η ποιότητα του νερού επηρεάζεται από τη συνεχή ανάδευσή του, καθώς υπάρχει περίπτωση, διαλυμένα μέταλλα που είχαν κατακαθίσει από βιομηχανική χρήση, καιρό πριν, να έρθουν πάλι στην επιφάνεια. Βέβαια, όλα τα παραπάνω, αμβλύνονται με τη χρήση κατάλληλων τεχνικών. Η Υδροηλεκτρική Ενέργεια σε Παγκόσμιο Επίπεδο Η υδροηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται για αιώνες. Από τα αρχαία χρόνια οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν την ενέργεια των υδάτων για το άλεσμα σιτηρών και καλαμποκιού. Στις αρχές τις δεκαετίας του 1800 αμερικανικά και ευρωπαϊκά εργοστάσια χρησιμοποίησαν τους νερόμυλους για την κίνηση των μηχανών. Στα τέλη του 19ου αιώνα, η δύναμη της πτώσης του νερού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο πρώτος υδροστρόβιλος κατασκευάστηκε το 1869 στον ποταμό Claverack Creek στο Stotville της Νέας Υόρκης και ο πρώτος σύγχρονος υδροηλεκτρικός σταθμός χτίστηκε το 1882 στο Appleton, του Wisconsin παρήγαγε 12.5kW, και παρείχε φως σε δύο χαρτοβιομηχανίες και ένα σπίτι. Το 1898 λειτούργησε στο Mechanicville της Νέας Υόρκης, επί του ποταμού Hudson, ο παλαιότερος σταθμός παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας από όσους υφίστανται σήμερα. Στις επόμενες δεκαετίες, πολλά περισσότερα υδροηλεκτρικά έργα χτίστηκαν. Σε παγκόσμιο επίπεδο και σε απόλυτους αριθμούς, η Κίνα είναι η μεγαλύτερη παραγωγός υδροηλεκτρικής ενέργειας και ακολουθούν ο Καναδάς, η Βραζιλία και οι ΗΠΑ. ~ 45 ~

54 Σήμερα, η υδροηλεκτρική ενέργεια αποτελεί, με διαφορά, τη σημαντικότερη μορφή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στον τομέα της παραγωγής ηλεκτρισμού, καλύπτοντας σχεδόν το 67% του παραγόμενου ηλεκτρισμού από εναλλακτικές μορφές ενέργειας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια παράγει το 24% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας με τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια να έχουν χωρητικότητα MW ετησίως και να παράγουν πάνω από 2,3*10 12 ΚW ηλεκτρικής ενέργειας, ισοδύναμη ενέργεια με 3,6*10 9 βαρέλια πετρελαίου. Συνήθως η ενέργεια που παράγεται, χρησιμοποιείται μόνο συμπληρωματικά ως προς άλλες συμβατικές πηγές ενέργειας, καλύπτοντας φορτία αιχμής. Χρήση της Yδροηλεκτρικής Ενέργειας στην Ελλάδα Στην Ελλάδα η υδροηλεκτρική ενέργεια ικανοποιεί περίπου το 9% των ενεργειακών μας αναγκών σε ηλεκτρισμό. Μια από τις αναξιοποίητες πλουτοπαραγωγικές πηγές της Ηπείρου αποτελεί το τεράστιο υδάτινο δυναμικό το οποίο σύμφωνα με συντηρητικές εκτιμήσεις φαίνεται να πλησιάζει το 30% του συνολικού φρέσκου νερού της Ελλάδας. Όλοι οι ποταμοί της Ηπείρου έχουν τις πηγές τους στην οροσειρά της Πίνδου. Η οροσειρά της Πίνδου έχει σημαντικές βροχοπτώσεις και εδαφολογία τέτοια ώστε να μπορούμε να εκμεταλλευτούμε το υδάτινο δυναμικό από μεγάλες υψομετρικές διαφορές ενώ από την άλλη πλευρά το έδαφος της οροσειράς είναι τέτοιο που ευνοεί τη δημιουργία τεχνητών λιμνών και δεξαμενών ύδατος. Οι μέχρι τώρα έρευνες έδειξαν ότι στην Ήπειρο μπορούν να δημιουργηθούν μέχρι 18 μεγάλα υδροηλεκτρικά εργοστάσια καθώς επίσης μέχρι και 50 περίπου μικρά, που μπορούν να παράγουν 5.000GWh περίπου ετησίως. Η παραγωγή αυτή ενέργειας αντιστοιχεί στο 25% του αξιοποιήσιμου υδάτινου δυναμικού της χώρας και στο 15% της καταναλισκόμενης ισχύος στην Ελλάδα ανά έτος. Η ΔΕΗ Ανανεώσιμες έχει σήμερα 15 μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς σε λειτουργία και κατασκευάζει 2 επί πλέον. Ταυτόχρονα, 7 νέα έργα έχουν λάβει άδεια παραγωγής. Παρακάτω ακολουθεί κατάλογος έργων σε λειτουργία και υπό ανάπτυξη, με την ισχύ κάθε έργου σε MW: Υδροηλεκτρικοί σταθμοί υπό παραγωγή ~ 46 ~

55 Περιοχή Ισχύς (MW) Αλατόπετρα Γρεβενών 2,43 Ιλαρίωνα Κοζάνης 4,2 Καλαμά 2,79 Λάδωνα 4,9 Μακροχώρι ΙΙ 4,84 Μεσοχώρα Τρικάλων 1,6 Πουρνάρι ΙΙ 0,66 Σμόκοβο ΙΙ 3,2 Σύνολο 24,62 Υδροηλεκτρικοί σταθμοί που έχουν κατασκευαστεί Περιοχή Ισχύς (MW) Αγία Βαρβάρα Βέροιας 0,9 Άγιος Ιωάννης Σερρών 0,7 Αλμυρός Χανίων 0,3 Βέρμιο Βέροιας 1,8 Βορεινό Αριδαίας 2,01 Γιτάνη Ηγουμενίτσας 2,06 Γκιώνα Άμφισσας 8,5 Γλαύκος Πάτρας 3,7 Ελεούσα Χαλκηδόνας 3,23 Λόυρος Πρέβεζας 10,3 Μακροχώρι Βέροιας 10,8 Οινούσα Σερρών 1,5 Παπαδιά Φλώρινας 0,5 Σμόκοβο Καρδίτσας 10,4 Στράτος ΙΙ Αγρινίου 6,2 Σύνολο 62,9 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ~ 47 ~

56 Αιολικό πάρκο στο Παναχαϊκό, το οποίο αποτελεί το μεγαλύτερο αιολικό πάρκο της Ελλάδας με 40 ανεμογεννήτριες, εγκαινιάστηκε το 2006 Αιολική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Είναι δηλαδή η μετατροπή της ενέργειας του ανέμου σε μια χρήσιμη μορφή ενέργειας, για παράδειγμα με τη χρήση ανεμογεννητριών σε ηλεκτρική ενέργεια, με τη χρήση ανεμόμυλων σε μηχανική, με τη χρήση αντλιών αέρα για την άντληση υδάτων, για την ώθηση των ιστιοφόρων πλοίων, κ.ά. Ονομάζεται αιολική γιατί στην ελληνική μυθολογία ο Αίολος ήταν ο θεός του ανέμου. Η αιολική ενέργεια είναι δευτερογενής ηλιακή ενέργεια γιατί δημιουργείται έμμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία. Οι άνεμοι αποτελούν κίνηση αέριας μάζας στην ατμόσφαιρα που προκαλείται από την ηλιακή ακτινοβολία. Ειδικότερα, είναι αποτέλεσμα των θερμοκρασιακών διαφορών που δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα είτε λόγω γεωγραφικού πλάτους είτε λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης. Οι διαφορετικές γεωγραφικές θερμοκρασίες οφείλονται σε δύο κυρίως παράγοντες: α) την υψομετρική διαφορά μεταξύ δύο σημείων και β) την διαφορετική φύση της επιφάνειας (έδαφος ή νερό). Οι άνεμοι που δημιουργούνται λόγω διαφορετικού γεωγραφικού πλάτους είναι φαινόμενα σχεδόν σταθερά ή μεταβλητά με μεγάλη περίοδο μεταβολής (εποχικά) καθώς επηρεάζονται από την περιστροφή της γης γύρω από τον άξονά της. Οι άνεμοι που οφείλονται στο δεύτερο παράγοντα χαρακτηρίζονται από μικρή χρονική διάρκεια (ωριαία ή ημερήσια) και παρατηρούνται είτε κοντά σε ορεινούς όγκους είτε σε περιοχές κοντά σε θάλασσα όπου υπάρχει διαφορετικός βαθμός θέρμανσης ή ψύξης του εδάφους και του υδάτινου όγκου. Η πηγή της αιολικής ενέργειας είναι πρακτικά ανεξάντλητη, ανανεώνεται συνεχώς γι αυτό και κατατάσσεται στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Εάν υπήρχε η ~ 48 ~

57 δυνατότητα, με τη σημερινή τεχνολογία, να καταστεί εκμεταλλεύσιμο το συνολικό αιολικό δυναμικό της γης, εκτιμάται ότι η παραγόμενη σε ένα χρόνο ηλεκτρική ενέργεια από τον άνεμο θα ήταν υπερδιπλάσια από τις ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια της ανθρωπότητας στο ίδιο διάστημα. Ωστόσο, ένα μόνο μικρό ποσοστό αυτής της τεράστιας ποσότητας ενέργειας είναι σήμερα εκμεταλλεύσιμο. Συνήθως, η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται: Για την παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές διασυνδεδεμένες στο δίκτυο, είτε για την κάλυψη ίδιων αναγκών, είτε για την πώληση του ρεύματος στην εταιρία εκμετάλλευσης του δικτύου. Για την παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές που δεν είναι διασυνδεδεμένες στο δίκτυο, για λειτουργία είτε σε συνδυασμό με σταθμό ηλεκτροπαραγωγής με ντίζελ, είτε ως μοναδικός πάροχος ηλεκτρικής ενέργειας με συσσωρευτές. Για θέρμανση (π.χ. σε θερμοκήπια) με διαδοχική μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρισμό και ακολούθως σε θερμότητα, με τη χρήση ηλεκτρικής αντίστασης ή με την κίνηση αντλιών θερμότητας. Για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας χρησιμοποιούνται ειδικές διατάξεις που εκθέτουν έναν δρομέα στο ρεύμα του ανέμου, λαμβάνοντας μέρος έτσι της κινητικής ενέργειάς του, με αποτέλεσμα την περιστροφική κίνηση του δρομέα. Οι διατάξεις αυτές ονομάζονται ανεμογεννήτριες όταν ο άξονας τους κινεί ηλεκτρογεννήτρια παραγωγής ρεύματος. Σήμερα, έχει αλλάξει η τεχνολογία στην αιολική ενέργεια σημαντικά. Οι σύγχρονες τεχνολογίες έχουν αντικαταστήσει τις μικρές παλιές ανεμογεννήτριες οι οποίες χρησιμοποιούνταν κατευθείαν στο δίκτυο. Σήμερα χρησιμοποιούνται μεγάλοι τριπτέρυγοι ανεμοκινητήρες από 1,5 έως 5MW με διάμετρο 70 ως 100 μέτρα, ενώ το ύψος τους φτάνει τα 130 περίπου μέτρα μαζί με τον πυλώνα. Οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται είναι κύρια η τεχνολογία μεταβλητού βήματος, και η τεχνολογία μεταβλητής ταχύτητας μέσω μετατροπέων ισχύος που συμπεριλαμβάνουν διασύνδεση συνεχούς ρεύματος. Τώρα όλες οι σύγχρονες κατασκευές στις ανεμογεννήτριες έχουν μια ενδιάμεση μετατροπή σε συνεχές ρεύμα, από εναλλασσόμενο σε συνεχές και μετά σε εναλλασσόμενο, είτε συνολικά είτε μέσω του δρομέα ανάλογα με τον τύπο της γεννήτριας. Όλα αυτά απαιτούν ασφαλώς προηγμένες τεχνολογίες ελέγχου. Όλες αυτές οι σύγχρονες τεχνολογίες στα αιολικά συστήματα πραγματικά αυξάνουν σημαντικά το βαθμό απόδοσης και μπορούν να λειτουργούν με τη μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο, να περιορίζουν τα φορτία στις υψηλές ταχύτητες, να δίνουν επιπλέον βοηθητικές υπηρεσίες που είναι απαραίτητες για το δίκτυο, να αντιμετωπίζουν σφάλματα στο δίκτυο και βέβαια να έχουν βελτιωμένα περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά σε σχέση με το θόρυβο κ.ά.. Και το τελευταίο, να μειώνουν το κόστος της αιολικής kwh λόγω οικονομίας κλίμακας. Αυτό σημαίνει ότι οι σύγχρονες αυτές ανεμογεννήτριες έχουν δυνατότητα λειτουργίας για ταχύτητες ~ 49 ~

58 από 4 έως 25 m/s, ενώ η παλαιάς τεχνολογίας λειτουργούσαν πολύ καλά με υψηλό βαθμό απόδοσης γύρω στα 12 με 14 m/s ταχύτητα ανέμου. Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα της Αιολικής Ενέργειας Η αιολική ενέργεια είναι η περισσότερο ταχέως αναπτυσσόμενη πηγή ενέργειας στον κόσμο και η δεύτερη πιο διαδεδομένη από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, μετά την υδροηλεκτρική. Αποτελεί μια ελκυστική λύση στο πρόβλημα της ηλεκτροπαραγωγής και τα κυριότερα οφέλη που παρουσιάζει είναι: Είναι μια ανεξάντλητη μορφή ενέργειας διότι το «καύσιμο» είναι άφθονο αφού παρέχεται από τον ήλιο και επιπλέον υπάρχει αρκετό αιολικό δυναμικό στον πλανήτη το οποίο μπορεί να υπερκαλύψει τις ενεργειακές μας ανάγκες. Συμβάλλει στην προστασία του περιβάλλοντος και την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής καθώς είναι μια απολύτως καθαρή, ήπια μορφή ενέργειας, η οποία δε μολύνει το περιβάλλον με στερεά απόβλητα ή καυσαέρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). Κάθε 1MW αιολικής ισχύος αποτρέπει 3,2 τόνους σωματιδίων το χρόνο, 5 τόνους οξειδίων του αζώτου (ΝΟ x ), 6 τόνους διοξείδιο του θείου (SO 2 ) και και πλέον τόνους διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). Δεν έχει κόστος καθώς η ενέργεια του ανέμου είναι ο μόνος πόρος που απαιτείται για την τροφοδοσία των ανεμογεννητριών και μας παρέχεται δωρεάν. Συμβάλλει στη μείωση της εξάρτησης από συμβατικούς ενεργειακούς πόρους οι οποίοι στο μέλλον θα εξαντληθούν, γεγονός που συνεπάγεται συναλλαγματικά οφέλη. Αποτελεί μια αποκεντρωμένη μορφή ενέργειας, καθώς το αιολικό δυναμικό είναι διάσπαρτο στον πλανήτη και έτσι με τη χρήση των ανεμογεννητριών το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να πάει παντού, ακόμα και σε ορεινές και δύσβατες περιοχές, κάτι που στο παρελθόν δε συνέβαινε καθώς ήταν οικονομικά ασύμφορο. Είναι μια τοπική μορφή ενέργειας, δίνει συνεπώς μια ενεργειακή αυτοδυναμία, χωρίς εξαρτήσεις από ξένους παράγοντες, διακυμάνσεις τιμών κλπ. Παρουσιάζει ελάχιστες απαιτήσεις γης και είναι μια ασφαλής επένδυση, αφού υπάρχουν τεράστια και άφθονα αποθέματα, το λειτουργικό κόστος από τη χρήση της αιολικής ενέργειας είναι χαμηλό και ο χρόνος εγκατάστασης ενός αιολικού πάρκου είναι μικρός (περίπου ένας χρόνος). Σε ένα μέσο αιολικό πάρκο η ανεμογεννήτρια θα αποσβέσει όλη την ενέργεια που έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή, εγκατάσταση και λειτουργία της σε διάστημα μικρότερο των 3μηνών. Τα κυριότερα μειονεκτήματα από τη χρήση του ανέμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι τα ακόλουθα: ~ 50 ~

59 Ο άνεμος είναι απρόβλεπτος και υπάρχει αβεβαιότητα στην εμφάνισή του, καθώς πρόκειται για ένα καθαρά στοχαστικό μέγεθος και μιας μεταβλητής φύσεως πηγή ενέργειας, οπότε δεν μπορούμε να αναμένουμε σταθερή παραγωγή ενέργειας. Όταν λοιπόν δε φυσάει άνεμος, επειδή ακόμα δεν υπάρχουν δυνατότητες για οικονομική αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, επιβάλλεται να υπάρχει εφεδρεία συμβατικών σταθμών για το σύνολο της εγκατεστημένης ισχύος. Η μεταβλητότητα του ανέμου προκαλεί σημαντικές διακυμάνσεις στην απόδοση ισχύος με αποτέλεσμα την εμφάνιση μηχανικών και ηλεκτρικών ταλαντώσεων, καθώς και τη μείωση της ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος, η οποία τροφοδοτείται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Το πρόβλημα αυτό είναι ακόμα πιο έντονο στην περίπτωση της «διεσπαρμένης παραγωγής», όπου τα δίκτυα με τα οποία συνδέονται τα αιολικά πάρκα είναι συνήθως ασθενή δίκτυα απομακρυσμένων περιοχών και εξομαλύνεται όσο μεγαλύτερο είναι το πλήθος των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται. Οι κυριότερες επιπτώσεις της «διασπαρμένης παραγωγής» στη λειτουργία των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας είναι: αλλαγές στο επίπεδο της τάσης των δικτύων, μειωμένη ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος, μεταβολή των ρευμάτων από σφάλματα του δικτύου, αλλαγή του επιπέδου βραχυκύκλωσης, αύξηση της αρμονικής παραμόρφωσης των τάσεων και ρευμάτων του δικτύου, διακύβευση της ευστάθειας του συστήματος. Υψηλό κόστος έρευνας και εγκατάστασης. Η αιολική ενέργεια πρέπει να συναγωνιστεί τις συμβατικές πηγές ενέργειας σε επίπεδο κόστους. Παρ ότι το κόστος της αιολικής ενέργειας έχει μειωθεί δραματικά τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία απαιτεί μια αρχική επένδυση υψηλότερη από εκείνη των γεννητριών που λειτουργούν με καύση ορυκτών. Υπάρχουν αρνητικές επιπτώσεις κατά τη φάση της κατασκευής στα είδη της χλωρίδας στην περιοχή κατάληψης του έργου αλλά οι επιπτώσεις αυτές κρίνονται ως ασθενείς ως προς την ένταση, τοπικού χαρακτήρα και μπορούν να χαρακτηριστούν σχεδόν ολικά αντιστρεπτές μετά το πέρας της φάσης της κατασκευής. Όσον αφορά την πιθανή όχληση από εκπομπή θορύβου, οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες είναι σχεδόν αθόρυβες. Ο μηχανικός θόρυβος των παλαιότερων μηχανών έχει πρακτικά εκμηδενιστεί, ενώ έχει μειωθεί στο ελάχιστο και ο αεροδυναμικός θόρυβος. Επιπλέον, από το σύνολο της πανίδας, μόνο τα πτηνά μπορούν να επηρεασθούν από το αιολικό πάρκο κυρίως με θανάτωση (ή τραυματισμό) μετά από προσκρούσεις στους ανεμοκινητήρες. Ωστόσο, μακροχρόνιες έρευνες για τα πτηνά έχουν δείξει ότι οι θάνατοι (ή τραυματισμοί) από προσκρούσεις σε ανεμογεννήτριες είναι πολύ λιγότερες από τους θανάτους που προέρχονται από συγκρούσεις πτηνών με διάφορες κατασκευές των ανθρώπων. Οι ανεμογεννήτριες μπορεί να προκαλέσουν αυξομειώσεις άλλων σημάτων (τηλεπικοινωνιακών ή ραδιοτηλεοπτικών), λόγω των κινούμενων πτερυγίων τους, αφού τα σήματα ανακλώνται σε αυτά. Με τις σύγχρονες όμως ~ 51 ~

60 τεχνολογίες κατασκευής των πτερυγίων των ανεμογεννητριών, η επίπτωση στη μετάδοση των σημάτων περιορίζεται στο ελάχιστο. Η Αιολική Ενέργεια σε Παγκόσμιο Επίπεδο Από τα αρχαία χρόνια ο άνθρωπος γνώριζε για τη δύναμη του ανέμου και είχε ανάγκη να τον διαθέσει προς όφελος του. Εκμεταλλεύτηκε αυτή τη μορφή ενέργειας για να ταξιδέψει σε μεγάλες αποστάσεις, αλλά και για το άλεσμα και την άντληση νερού. Γι αυτό και η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται για τουλάχιστον χρόνια και έπαιξε αποφασιστικό ρόλο στην εξέλιξη της ανθρωπότητας. Η πρώτη χρήση αιολικής ενέργειας έγινε στην ναυσιπλοΐα. Οι Αιγύπτιοι, γύρω στο 3500 π.χ. χρησιμοποιούσαν τον άνεμο για την κίνηση ιστιοφόρων πλοίων για τη μεταφορά ανθρώπων κατά μήκος του Νείλου ποταμού. Το γεγονός αυτό συνέβαλε αποφασιστικά στην ανάπτυξη της ναυτιλίας. Άλλοι πολιτισμοί που χρησιμοποίησαν την αιολική ενέργεια είναι οι Κινέζοι, οι Έλληνες, οι Ινδοί καθώς επίσης και οι λαοί της Περσίας, του Θιβέτ και του Αφγανιστάν όπου μικροί νερόμυλοι στην χρησίμευαν για την άλεση δημητριακών αλλά και για παροχή πόσιμου νερού σε οικισμούς Μέχρι το 12ο αιώνα η αιολική ενέργεια χρησιμοποιούνταν για να παρέχει την απαιτούμενη μηχανική ενέργεια για την άντληση νερού ή για το άλεσμα των δημητριακών. Στις αρχές του 1970, με την πρώτη πετρελαϊκή κρίση, το ενδιαφέρον για την αιολική ενέργεια επανήλθε στο προσκήνιο. Αυτή τη φορά όμως το κυρίως ενδιαφέρον ήταν η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και όχι μηχανικής (κάτι που γινόταν έως τότε). Με τον τρόπο αυτό, κατέστη δυνατή η παροχή μιας αξιόπιστης και σταθερής πηγής ενέργειας με τη χρήση άλλων τεχνολογιών ενέργειας, η οποία θα λειτουργούσε ως εφεδρική για το ηλεκτρικό δίκτυο. Στις μέρες μας, πολλές χώρες παγκοσμίως παράγουν μέρος της αναγκαίας ενέργειάς τους με την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Στα πρώτα στάδια, η εκμετάλλευσή της ήταν ασύμφορη. Ωστόσο, με το πέρασμα των δεκαετιών η επιστημονική έρευνα έχει φτάσει σε τέτοιο σημείο προόδου, που επιτρέπει την όλο και αποδοτικότερη εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Σύμφωνα με την ετήσια έκθεση του Παγκόσμιου Συμβουλίου Αιολικής Ενέργειας (GWEC), το έτος 2012 σημειώθηκε ισχυρή ανάπτυξη και ταυτόχρονα σημαντικές οπισθοδρομήσεις σε διάφορα σημεία του κόσμου όσον αφορά τη χρήση της αιολικής ενέργειας. Προστέθηκαν περίπου 44GW νέας εγκατεστημένης αιολικής ισχύος, που αντιστοιχούν σε σχεδόν 10% αύξηση της ετήσιας αγοράς σε σύγκριση με το 2011, ποσοστό που είναι χαμηλότερο από το 22% που είναι ο ετήσιος μέσος ρυθμός ανάπτυξης κατά τα τελευταία 10 χρόνια, και περισσότερο από 19% συνολικά εγκατεστημένης αιολικής ισχύος. Στο τέλος του 2012 λοιπόν το νέο παγκόσμιο σύνολο εγκατεστημένης αιολικής ισχύος είναι 282,5GW με πάνω από ανεμογεννήτριες σε λειτουργία. ~ 52 ~

61 Στο τέλος του 2011, λόγω της συνεχιζόμενης επιβράδυνσης της οικονομικής δραστηριότητας στην Ευρώπη και της πολιτικής αβεβαιότητας στις ΗΠΑ, ήταν δύσκολο να γίνουν προβλέψεις για την αγορά της αιολικής ενέργειας το Παρόλα αυτά, το 2012 αποτέλεσε χρονιά ρεκόρ για τις παραδοσιακές αγορές της Βόρειας Αμερικής και της Ευρώπης. Αντίθετα, η Κίνα, η μεγαλύτερη αγορά για την αιολική ενέργεια από το 2009, σημείωσε αργή ανάπτυξη, παρέμεινε όμως στην κορυφή μαζί με τις ΗΠΑ. Η Ασία εξακολουθεί να οδηγεί τις παγκόσμιες αγορές με τη Βόρεια Αμερική να είναι δεύτερη και την Ευρώπη να ακολουθεί. Μέχρι το τέλος του περασμένου έτους, ο αριθμός των χωρών με εγκατεστημένη ισχύ πάνω από 1.000MW είχε αυξηθεί σε 24 μεταξύ των οποίων 16 στην Ευρώπη, 3 στην Ασία, 3 στη Βόρεια Αμερική, 1 στην Ωκεανία και 1 στη Νότια Αμερική. Η ενοποίηση της αγοράς στην Κίνα και η πολιτική αστάθεια στην Ινδία ήταν οι κυριότεροι λόγοι για τη σημαντική επιβράδυνση στην Ασία το Στον Καναδά, τη Βραζιλία και το Μεξικό αναμένεται σημαντική ανάπτυξη στον τομέα της αιολικής ενέργειας το 2013, ενώ μερικές εκατοντάδες MW από τη Νότια Αφρική και την Αιθιοπία θα παραχθούν για πρώτη φορά. Σημαντικές επεκτάσεις προβλέπεται να γίνουν και στη Μογγολία, το Πακιστάν, τις Φιλιππίνες και την Ταϋλάνδη. ~ 53 ~

62 Οι δέκα πρώτες χώρες παγκοσμίως, σε νέα εγκατεστημένη αιολική ισχύ, Ιανουάριος - Δεκέμβριος 2012 Οι δέκα πρώτες χώρες παγκοσμίως, σε συνολικά εγκατεστημένη αιολική ισχύ, Δεκέμβριος 2012 ~ 54 ~

63 Η ετήσια παγκόσμια εγκατάσταση αιολικής ισχύος από το 1996 έως το 2012 Η συνολική παγκοσμίως εγκατεστημένη αιολική ισχύς από το 1996 έως και το 2012 Ασία Για πέμπτη συνεχόμενη χρονιά, η Ασία ήταν η μεγαλύτερη αγορά αιολικής ενέργειας, με προσθήκη αιολικής ικανότητας πάνω από 15GW. Η Κίνα, με την προσθήκη 12,96GW (μέγεθος που παρουσιάζει σημαντική πτώση σε σύγκριση με τα στοιχεία των τριών τελευταίων ετών), παραχώρησε την ηγετική της θέση στις ΗΠΑ το 2012, αν και η διαφορά που είχαν μεταξύ τους, ήταν λιγότερο από 200MW. Το 2012, η παραγωγή αιολικής ενέργειας στην Κίνα ανερχόταν σε 100,4*10 12 kwh, ~ 55 ~

64 αντιπροσωπεύοντας το 2% της συνολικής παραγόμενης ενέργειας της χώρας, από 1,5% που ήταν το Τριπλασίασε σχεδόν την παραγωγική της ικανότητα από 25,8GW το 2009, και έφτασε τα 75,3GW μέχρι το τέλος του 2012, επιτρέποντας στην Κίνα διατηρήσει την ηγετική της θέση όσον αφορά την παγκόσμια εγκατεστημένη δυναμικότητα αιολικής ενέργειας. Μέχρι το τέλος του 2012, η αιολική ενέργεια ήταν η τρίτη μεγαλύτερη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας μετά από τη θερμική και την υδροηλεκτρική, ξεπερνώντας την πυρηνική. Αναμένεται, ότι κατά το 2013 θα υπάρξει προσθήκη 18GW στις ήδη υπάρχουσες κινεζικές εγκαταστάσεις αιολικής ενέργειας. Η Ινδία σήμερα είναι μια σημαντική αγορά για τη βιομηχανία αιολικής ενέργειας. Παρά το γεγονός ότι το 2011 σημειώθηκε η μεγαλύτερη ετήσια ανάπτυξη, με προσθήκη πάνω από 3GW νέων εγκαταστάσεων, το 2012 η αιολική ενέργεια παρουσίασε μικρότερη ανάπτυξη λόγω της πολιτικής αστάθειας, με τις νέες εγκαταστάσεις να φτάνουν τα MW και το συνολικό ποσό της εγκατεστημένης αιολικής ισχύος να διαμορφώνεται στα MW. Αυτός ο ρυθμός ανάπτυξης διατηρεί την ινδική αγορά αιολικής ενέργειας σταθερά στην πρώτη πεντάδα στην παγκόσμια κατάταξη σε παγκόσμιο επίπεδο. Μέχρι το τέλος του 2012, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αντιπροσώπευαν πάνω από 12% της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος, και περίπου το 6% της ηλεκτρικής ενέργειας, ποσοστό σημαντικά μεγαλύτερο από το 2% που ήταν το Η αιολική ενέργεια αντιπροσώπευε περίπου το 69% της συνολικής δυναμικότητας των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ή περίπου το 8% της συνολικής εγκατεστημένη ισχύος στην Ινδία. Με την οξεία ανάγκη για ηλεκτροδότηση και την αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας στη χώρα, η αιολική ενέργεια πρόκειται να αποκτήσει ολοένα και πιο σημαντικό μερίδιο στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας της Ινδίας. Ενώ η υπόλοιπη Ασία δεν έκανε μεγάλη πρόοδο το 2012, υπάρχουν ορισμένα ευνοϊκά σημάδια στον ορίζοντα. Στην Ιαπωνία η συνολική ισχύς έφτασε τα 2.614MW στο τέλος του 2012, αυξανόμενη κατά 88MW σε σχέση με το 2011, ποσό που αντιπροσωπεύει το 0,5% της συνολικής παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας της χώρας. Μετά το ατύχημα της Φουκουσίμα το Μάρτιο του 2011, η Ιαπωνία κινείται προς μια διαφοροποίηση του ενεργειακού της συστήματος αυξάνοντας τη συμβολή της αιολικής ενέργειας και των άλλων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η κυβέρνηση της Νότιας Κορέας έχει εντάξει την "πράσινη ανάπτυξη" πολύ ψηλά στις εθνικές αναπτυξιακές της προτεραιότητες. Παρά το γεγονός ότι η αιολική ενέργεια είναι ακόμα μια σχετικά νέα τεχνολογία παραγωγής ενέργειας, 76MW αιολικής ισχύος παραγόμενα από χερσαία αιολικά πάρκα (onshore) προστέθηκαν το 2012, αυξάνοντας το αιολικό δυναμικό της χώρας σε 483MW. Στόχος της κυβέρνησης, είναι να η επίτευξη περισσότερων από 15GW συνολικής εγκατεστημένης αιολικής ισχύος μέχρι το Το 2012 στο Πακιστάν λειτούργησε το πρώτο εμπορικό αιολικό πάρκο των 50MW στην επαρχία Sindh. Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς της χώρας έφθασε τα 56MW. Αν και αποτελεί ένα σχετικά μικρό έργο, είναι ο προάγγελος των μεγάλων ~ 56 ~

65 εξελίξεων που έρχονται, με σχεδόν 150MW νέας παραγωγικής ικανότητας να είναι υπό κατασκευή επί του παρόντος και έργα συνολικού ύψους 700MW να αναμένεται να επιτευχθούν μέχρι το τέλος του Τέλος, το πρώτο εμπορικό αιολικό πάρκο των 50MW θα τεθεί σε λειτουργία το καλοκαίρι του 2013 στη Μογγολία. Όσο για τις υπόλοιπες Ασιατικές χώρες Ταϋλάνδη και Φιλιππίνες αναμένεται να έχουν έτοιμες τις πρώτες τους αιολικές εγκαταστάσεις μέχρι το τέλος του Βόρεια Αμερική Στις ΗΠΑ, η έκρηξη στην ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας παρατηρείται πάνω από μία δεκαετία. Ωστόσο, η αιολική βιομηχανία ενέργειας των ΗΠΑ, παρουσίασε τη μεγαλύτερη άνθισή της το 2012, καθιστώντας την σε ηγετική θέση στην αγορά όσον αφορά τις νέες εγκαταστάσεις αιολικής ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο το περασμένο έτος. Πάνω από 13,1GW νέας αιολικής ισχύος παραγόμενα από 190 έργα συνδέθηκαν στο δίκτυο, διαμορφώνοντας τη συνολική δυναμικότητα στα 60GW από 46,9GW που ήταν το Στην πραγματικότητα, το 2012 ήταν ένα ισχυρό έτος για όλες τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, καθώς όλες μαζί κάλυπταν πάνω από το 55% της ζητούμενης ηλεκτρικής ενέργειας της χώρας. Μία άνευ προηγουμένου αύξηση 8.4GW αιολικής ισχύος σημειώθηκε κατά το τέταρτο τρίμηνο και μόνο, γεγονός που το καθιστά το ισχυρότερο τρίμηνο στη μέχρι τώρα ενεργειακή ιστορία της χώρας. Όσον αφορά τις περιοχές με τη μεγαλύτερη ανάπτυξη στον τομέα της αιολικής ενέργειας το 2012 είναι: το Τέξας επιπλέον 1.826MW, η Καλιφόρνια με 1.656ΜW να προστίθενται στο αιολικό της δυναμικό, το Κάνσας με προσθήκη 1.440MW, η Οκλαχόμα με 1.127MW και τέλος το Ιλλινόις με 823MW περισσότερα σε σχέση με το Στον Καναδά, το 2012 σημειώθηκε αύξηση 935MW στη συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύ της χώρας σε σχέση με το 2011, καθιστώντας τη χώρα την ένατη μεγαλύτερη αγορά για το έτος αυτό. Σε σύγκριση με τα νέα 1.267MW που είχαν προστεθεί το 2011 σε σύγκριση με το 2010, παρουσιάστηκε μια μικρή επιβράδυνση το 2012, αλλά εξακολουθεί να είναι η δεύτερη καλύτερη χρονιά όλων των εποχών. Το Οντάριο ηγείται στην αιολική δυναμικότητα με περισσότερα 2GW προμηθεύοντας πάνω από το 3% της επαρχιακής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας και ακολουθεί το Κεμπέκ. Το 2013 αναμένεται να είναι χρονιά ρεκόρ για την καναδική αγορά με τη λειτουργία επιπλέον 1,5GW αιολικής ενέργειας. Στο Μεξικό, η ισχύς που εγκαταστάθηκε το 2012, υπερδιπλασίασε τη συνολικά εγκατεστημένη αιολική ισχύ της χώρας, με τα 801MW που προστέθηκαν να διαμορφώνουν το σύνολο σε 1.370MW. Νότια Αμερική Η αιολική ενέργεια έχει στις μέρες μας σημειώσει μεγάλη ανάπτυξη στις χώρες της Λατινικής Αμερικής, συμπληρώνοντας τη συνολική προσπάθεια στροφής ~ 57 ~

66 στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που γίνεται με την αξιοποίηση της υδροηλεκτρικής ενέργειας και της βιομάζας. Για πρώτη φορά το 2012, εγκαταστάθηκε πάνω από 1GW αιολικής ισχύος στην περιοχή. Η Βραζιλία ηγείται των χωρών της Λατινικής Αμερικής στον τομέα της αιολικής ενέργειας, με 1.077MW νέας αιολικής ισχύος το 2012, προσθέτοντας τη χώρα στη μικρή λίστα των χωρών με ετήσιες εγκαταστάσεις πάνω από 1GW παγκοσμίως. Η Βραζιλία είναι μία από τις πλέον υποσχόμενες αγορές στα χερσαία (onshore) αιολικά πάρκα με έργα αιολικής ισχύος 7GW τα οποία αναμένεται να ολοκληρωθούν μέχρι το 2016 και τις τρέχουσες προβλέψεις της κυβέρνησης να προβλέπουν 16GW συνολικής εγκατεστημένης ισχύος στη χώρα μέχρι το τέλος του Το αιολικό δυναμικό της Αργεντινής, αυξήθηκε κατά 54MW το περασμένο έτος σε σύγκριση με το 2011 φέρνοντας τη συνολική εγκατεστημένη ισχύ 167MW. Η Αργεντινή είναι μια πολλά υποσχόμενη αγορά η οποία έχει τεράστιους πόρους αιολικής ενέργειας. Ένας αριθμός αιολικών έργων είναι υπό ανάπτυξη γεγονός που θα βοηθήσει στην άμβλυνση των χρόνιων ελλείψεων ηλεκτρικής ενέργειας στη χώρα. Ορισμένοι αναλυτές υποστηρίζουν ότι οι άνεμοι που πνέουν στην Αργεντινή είναι επαρκείς για να καλύψουν την ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας όλης της Λατινικής Αμερικής. Το 2012 σηματοδότησε τη λειτουργία του πρώτου εμπορικού πάρκου ισχύος 30MW στη Βενεζουέλα. Στην Ουρουγουάη, η συνολική εγκατεστημένη ισχύς έφτασε τα 52MW, 9MW περισσότερα σε σχέση με το Στην Κεντρική Αμερική και την Καραϊβική, η Νικαράγουα και η Κόστα Ρίκα αύξησαν την παραγωγική ικανότητα κατά 40MW και 15MW με τη συνολική εγκατεστημένη ισχύ να φτάνει τα 102MW και 147MW αντίστοιχα. Ωκεανία Η περιοχή είδε τη συνολική εγκατεστημένη της ισχύ να ξεπερνά τα 3GW το Στην αγορά της Αυστραλίας, προστέθηκαν 358MW την περασμένη χρονιά (ποσό που παρουσιάζεται αυξημένο σε σχέση με τα 234MW που προστέθηκαν το 2011), φέρνοντας τη συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύ στα 2.584MW. Στόχος της αυστραλιανής κυβέρνησης είναι να καλύπτει το 20% της συνολικής ζήτησης για ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές μέχρι το Στη Νέα Ζηλανδία υπάρχει σήμερα υπό κατασκευή αιολικό πάρκο ισχύος 60MW. Αφρική και Μέση Ανατολή Οι χώρες της Αφρικής και της Μέσης Ανατολής έχουν αρχίσει να εκμεταλλεύονται το τεράστιο αιολικό τους δυναμικό, παρόλο που η πρόοδος που σημειώθηκε το 2012 εξακολουθεί να είναι μικρή, με λίγα παραπάνω από 100MW συνολικής εγκατεστημένης ισχύος σε ολόκληρη την περιοχή. Ωστόσο, αρκετές χώρες ~ 58 ~

67 έχουν ανακοινώσει μακροπρόθεσμα σχέδια για την εγκατάσταση μεγάλης κλίμακας αιολικών πάρκων μεταξύ των οποίων είναι η Νότια Αφρική, η Αιθιοπία, το Μαρόκο, η Κένυα και η Σαουδική Αραβία. Το αιολικό δυναμικό της Αφρικής είναι καλύτερο γύρω από τις ακτές και τα ανατολικά υψίπεδα. Στο τέλος του 2012, πάνω από το 98% του συνόλου των εγκαταστάσεων αιολικής ενέργειας της περιοχής, περίπου δηλαδή 1.135MW ήταν εγκατεστημένο σε 6 μόνο χώρες (στην Αίγυπτο 550MW, στο Μαρόκο 291MW, στην Τυνησία 104 MW, στην Αιθιοπία 52MW, στο Ιράν 91MW και το Πράσινο Ακρωτήρι 24MW. Ευρώπη Κατά τη διάρκεια του 2012, MW αιολικής ισχύος εγκαταστάθηκαν σε όλη την Ευρώπη με τις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης να κατέχουν τα MW του συνόλου. Η οικονομική κρίση που πλήττει την Ευρώπη και το κλίμα αβεβαιότητας που έχει αυτή δημιουργήσει από το 2011, έχει αρνητικό αντίκτυπο στον τομέα της αιολικής ενέργειας. Σήμερα, το 7% της συνολικής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας της Ευρώπης ικανοποιείται από την αιολική ενέργεια, ενώ το 2011 το αντίστοιχο ποσοστό ήταν 6,3%, και το 2009 ήταν 4,8%. Στην κορυφή της Ευρώπης σε εγκαταστάσεις αιολικής ενέργειας είναι η Γερμανία (21% της συνολικής νέας δυναμικότητας αιολικής ενέργειας), ακολουθεί το Ηνωμένο Βασίλειο (16%), η Ιταλία (11%), η Ρουμανία (8%) και η Πολωνία (8%). Από την άποψη της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος, η Γερμανία οδηγεί και πάλι (30% της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος), ακολουθούμενη από την Ισπανία (22%), το Ηνωμένο Βασίλειο (8%), την Ιταλία (8%) και τη Γαλλία (7%). Η Γερμανία ηγείται στην αγορά αιολικής ενέργειας συνεχίζοντας σταθερά την ανάπτυξή της και το 2012, εγκαθιστώντας MW νέας δυναμικότητα, 80 MW εκ των οποίων (3,3%) παρέχονταν από υπεράκτια (offshore) αιολικά πάρκα, ανεβάζοντας τη συνολική δυναμικότητα της χώρας στα MW το τέλος του Το Ηνωμένο Βασίλειο βρίσκεται στην καλύτερη γεωγραφική θέση από τη σκοπιά της αιολικής ενέργειας και παρουσιάζει τους καλύτερους πόρους MW εγκαταστάθηκαν το 2012 από τα οποία τα 1.043MW παρήχθησαν από χερσαία και τα 854MW από υπεράκτια αιολικά πάρκα, φέρνοντας τη χώρα στην έβδομη θέση παγκοσμίως. Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς το 2012 αυξήθηκε κατά 33% σε σύγκριση με το 2011 και το 5,5% της συνολικής ενεργειακής ζήτησης της χώρας καλύπτεται από την αιολική ενέργεια. Η Ιταλία, είχε συνολική εγκατεστημένη δυναμικότητα 8.144MW, το τέλος του 2012, σε σύγκριση με τα 6.737MW που είχαν εγκατασταθεί το Στην Ισπανία, λόγω της οικονομικής κατάστασης της χώρας, η αιολική ισχύς μειώθηκε σε 1.112MW, χωρίς καμία προοπτική ανάκαμψής της το εγγύς μέλλον. ~ 59 ~

68 Στη Γαλλία, η αιολική ισχύς αυξάνεται σταθερά και έχει φτάσει τα 7.564MW στα τέλη του 2012, με τη γαλλική κυβέρνηση να έχει θέσει ως στόχο τα 25GW μέχρι το τέλος του Η εγκατεστημένη αιολική ισχύς ανά κράτος στις χώρες της Ευρώπης ~ 60 ~

69 Η εγκατεστημένη αιολική ισχύς ανά κράτος στις χώρες της Ευρώπης Η ετήσια εγκατάσταση αιολικής ισχύος ανά ήπειρο από το 2005 έως και το 2012 ~ 61 ~

70 Χρήση της Αιολική Ενέργεια στην Ελλάδα Η Ελλάδα αποτελεί ιδανική χώρα για εγκατάσταση αιολικών πάρκων, καθώς διαθέτει πλούσιο αιολικό δυναμικό της τάξης MW MW με βάση τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες και τους βασικούς περιορισμούς χωροθέτησης αιολικών πάρκων για ταχύτητες ανέμου πάνω από 6m/sec και η μορφολογία του εδάφους (αρκετά βουνά, νησιά και βραχονησίδες) είναι τέτοια που ευνοεί την υψηλή απόδοση τέτοιων μορφών ενέργειας. Ειδικότερα στα παράλια της ηπειρωτικής Ελλάδας και κυρίως στα νησιά του Αιγαίου Πελάγους, και συγκεκριμένα στην Κρήτη, στην ανατολική και νοτιοανατολική Πελοπόννησο, την Εύβοια και την νοτιοανατολική Θράκη όπου οι άνεμοι που πνέουν ξεπερνούν πολύ συχνά σε ένταση τα 8 ή 9 Beaufort (ταχύτητα ανέμου άνω των 60km/h), η αιολική ενέργεια μπορεί να αποτελέσει σημαντική δύναμη ανάπτυξης. Έτσι, τα τελευταία 10 χρόνια η αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας ήταν ραγδαία. Πλέον υπάρχουν 1.640MW εγκατεστημένης ισχύος (σύμφωνα με τα στατιστικά στοιχεία της Διεθνούς Υπηρεσίας Αιολικής Ενέργειας, ΙΕΑ WIND για τα τέλη του 2011), ποσό που αυξήθηκε κατά 35,5% σε σύγκριση με τα 1.210MW που ήταν εγκατεστημένα μέχρι το τέλος του Η ελληνική κυβέρνηση έχει θέσει ως στόχο η ηλεκτροπαραγωγή από ανεμογεννήτριες να προσεγγίσει τελικά τις GWh έως το 2020, περίπου 5GW - με αρχικό στόχο τα 6,6GWεγκατεστημένης ισχύος, καλύπτοντας έτσι το 15% της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα. ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΑΠΕ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Η Έκθεση του Εθνικού Σχεδίου Δράσης για την επίτευξη της συμβολής των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στην τελική κατανάλωση ενέργειας σε ποσοστό 20% έως το 2020 (γνωστό και ως στόχος ), απορρέει από την Οδηγία 2009/28/ΕΚ, και περιλαμβάνει εκτιμήσεις για την εξέλιξη του ενεργειακού τομέα και ~ 62 ~

71 τη διείσδυση των τεχνολογιών των ΑΠΕ έως το Οι εκτιμήσεις αυτές εξειδικεύονται στη συμμετοχή των ΑΠΕ στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας και ψύξης κυρίως για τον οικιακό τομέα, αλλά και στη χρήση βιοκαυσίμων στις μεταφορές. Αναφέρονται επίσης μέτρα για την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και την αύξηση της αξιοποίησης των ΑΠΕ, καθώς και στοιχεία για τις βασικές διοικητικές δομές που θα επιταχύνουν τη διείσδυση αυτή. Συγκεκριμένα, σύμφωνα με το σχέδιο αυτό προβλέπεται: Συμμετοχή των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας κατά 20% στη συνολική τελική κατανάλωση ενέργειας. Συμμετοχή των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας κατά 40% στην ηλεκτροπαραγωγή. Συμμετοχή κατά 10% των βιοκαυσίμων στις μεταφορές. Μείωση των εκπομπών αερίων φαινομένου του θερμοκηπίου κατά 4% από όλες τις δραστηριότητες, πλην αυτών που εξαιρούνται από την οδηγία για την εμπορία δικαιωμάτων εκπομπών. Στα πλαίσια της επίτευξης των στόχων αυτών, η Ελλάδα οφείλει να πραγματοποιήσει έναν δραστικό μετασχηματισμό του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα και να διαμορφώσει μια ενεργειακή πολιτική βασιζόμενη στην αύξηση της διείσδυσης των ΑΠΕ. Εθνικοί δεσμευτικοί στόχοι για τη συμμετοχή των ΑΠΕ στην καταναλισκόμενη ενέργεια. Οι ρυθμίσεις για την απλοποίηση των διαδικασιών αδειοδότησης των έργων ΑΠΕ έχουν αυξήσει τόσο το επενδυτικό ενδιαφέρον, όσο και τη συνολική εγκατεστημένη ισχύ των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στη χώρα μας. Ο Λειτουργός Αγοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΛΑΓΗΕ), έχει δημοσιεύσει τον πίνακα κατάστασης της αδειοδοτικής εξέλιξης των έργων ΑΠΕ μέχρι το τέλος του Ιουλίου του ~ 63 ~

72 Κατά τη διάρκεια του πρώτου επταμήνου το 2013 η συνολική εγκατεστημένη ισχύς από σταθμούς ΑΠΕ στη χώρα μας ενισχύθηκε κατά 970MW και έφτασε τα 4.118MW. Tα φωτοβολταϊκά αποτελούν την κυρίαρχη μορφή ανανεώσιμης ενέργειας με συνολική ισχύ 2.017MW (φωτοβολταϊκά στεγών 340MW), η αιολική ενέργεια ακολουθεί με 1.497MW, στη συνέχεια έρχονται τα μικρά υδροηλεκτρικά με 218MW και η βιομάζα με 46MW. Οι υπόλοιπες μορφές ήπιων μορφών ενέργειας, όπως η γεωθερμία, η κυματική ενέργεια και η ενέργεια από την παλίρροια βρίσκονται ακόμα σε αρχικά στάδια. Εγκατεστημένη ισχύς (ΜW) μονάδων ΑΠΕ σε λειτουργία στο διασυνδεδεμένο σύστημα. Παρακάτω δίνεται η γεωγραφική κατανομή εγκατεστημένης ισχύος (MW) μονάδων ΑΠΕ στο διασυνδεδεμένο σύστημα για το ~ 64 ~

73 ~ 65 ~

74 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΕΜΠΟΔΙΑ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Γεγονός είναι ότι η Ελλάδα έχει καθυστερήσει την ανάπτυξη των ΑΠΕ σε σχέση με άλλες χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Τα κυριότερα από τα εμπόδια μιας μεγαλύτερης ανάπτυξης των έργων εγκατάστασης ΑΠΕ είναι τα ακόλουθα: Μη τήρηση ή απουσία χρόνων ανταπόκρισης των υπηρεσιών. Οι αρμόδιοι φορείς δεν τηρούν τους μέγιστους προβλεπόμενους, ή έστω λογικούς χρόνους ανταπόκρισης, ή δεν υποχρεώνονται από τη νομοθεσία να τηρούν συγκεκριμένο χρονοδιάγραμμα, με αποτέλεσμα η αδειοδότηση των έργων να καθίσταται χρονοβόρα. Η αδειοδοτική διαδικασία καθίσταται αναιτιολόγητα χρονοβόρα (από 3 έως 5 χρόνια), γεγονός που ενισχύεται από την εμπλοκή πληθώρας υπηρεσιών και γραφειοκρατικών διαδικασιών. Τοπικές αντιδράσεις και μικροπολιτικά συμφέροντα. Είναι απαραίτητη η εκπαίδευση και ενημέρωση των τοπικών κοινωνιών, με σκοπό την αποδοχή των μη συμβατικών πηγών ενέργειας, δεδομένου ότι οι αντιδράσεις προκαλούν εμπόδια στην πρόοδο της αδειοδοτικής διαδικασίας. Οικονομικά αντικίνητρα. Παρόλο που παρασχέθηκαν κίνητρα ξένων και εγχώριων επενδυτών για έργα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ, η ενέργεια αυτή δεν απέδωσε τα αναμενόμενα. Για το λόγο αυτό, δημιουργήθηκε η ανάγκη να αυξηθεί η τιμή της kwh, να γίνουν διαγωνισμοί με πολύ ευνοϊκούς όρους, εγγυημένη αποζημίωση της ισχύος και εγγύηση στην αύξηση της οριακής τιμής, χωρίς, όμως το θετικό αποτέλεσμα που αναμενόταν. ~ 66 ~

75 ~ 67 ~

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ~ 67 ~

77 ΆΝΕΜΟΣ Οι άνεμοι, δηλαδή η κίνηση αερίων μαζών στην ατμόσφαιρα, προκαλούνται από την ηλιακή ακτινοβολία. Είναι αποτέλεσμα των θερμοκρασιακών διαφορών που δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα, είτε λόγω γεωγραφικού πλάτους είτε λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης. Οι διαφορετικές γεωγραφικές θερμοκρασίες οφείλονται σε δύο παράγοντες κυρίως: Την υψομετρική διαφορά μεταξύ δύο σημείων. Οι άνεμοι που οφείλονται σ αυτόν τον παράγοντα χαρακτηρίζονται από σταθερότητα ή μεταβάλλονται με μεγάλη περίοδο μεταβολής (εποχικά) καθώς επηρεάζονται από την περιστροφική κίνηση της γης γύρω από τον άξονά της. Τη διαφορετική φύση της επιφάνειας (έδαφος ή νερό κ.ά.). Οι άνεμοι που οφείλονται σ αυτόν τον παράγοντα χαρακτηρίζονται από μικρή χρονική διάρκεια (ωριαία ή ημερήσια) και εκδηλώνονται είτε κοντά σε ορεινούς όγκους είτε σε περιοχές κοντά σε θάλασσα, όπου υπάρχει διαφορετικός βαθμός θέρμανσης ή ψύξης του εδάφους και του υδάτινου όγκου. Όταν μια αέρια μάζα θερμανθεί, εκτονώνεται, γίνεται πιο ελαφριά και κινείται προς τα πάνω. Ο ατμοσφαιρικός αέρας θερμαίνεται κυρίως από την επαφή του με τη θερμή επιφάνεια της γης. Ο θερμός αέρας είναι ελαφρύτερος, έχει μικρότερη πυκνότητα από τον ψυχρό και τείνει προς τα πάνω. Έτσι, ένα στρώμα αέρα που θα έρθει σε επαφή με τη γήινη επιφάνεια θα θερμανθεί και θα ανέλθει. Τη θέση του θα καλύψει ένα στρώμα ψυχρότερου αέρα, που με τη σειρά του κι αυτό θα θερμανθεί και θα ανέλθει. Αυτή η επαναλαμβανόμενη ανοδική καθοδική κίνηση των θερμών και ψυχρών αέριων μαζών, ονομάζεται κατακόρυφη μεταφορά. Κατακόρυφη μεταφορά, ιδανική κίνηση του ανέμου αν η γη δεν περιστρεφόταν. ~ 68 ~

78 Η κατακόρυφη μεταφορά, σε συνδυασμό με την περιστροφή της γης γύρω απ τον άξονά της, δημιουργεί τον αέρα. Ο ήλιος θερμαίνει ανομοιόμορφα την επιφάνεια της γης επομένως κάθε τόπος θερμαίνεται διαφορετικά, ανάλογα με το γεωγραφικό του πλάτος. Επομένως, είναι αναμενόμενο οι περιοχές γύρω από τον ισημερινό να θερμαίνονται πολύ περισσότερο από τους πόλους. Σε περίπτωση λοιπόν που η γη δεν περιστρεφόταν γύρω από τον άξονα της, η κίνηση του αέρα θα ακολουθούσε τη διαδικασία της κατακόρυφης μεταφοράς, δηλαδή από τους πόλους προς τον ισημερινό και πάλι πίσω (όπως στο παραπάνω σχήμα). Η περιστροφή όμως της γης έχει ως αποτέλεσμα την εκτροπή των αερίων μαζών από την κατακόρυφη μεταφορά και περιπλέκει την κυκλοφορία τους στην ατμόσφαιρα. Σ αυτό συνεισφέρει και η ανομοιογένεια του ανάγλυφου της γης (στεριά, θάλασσα, υψομετρικές διαφορές), έχοντας ως αποτέλεσμα τη δημιουργία τοπικών φαινομένων. Για παράδειγμα, η στεριά έχει μικρότερη θερμοχωρητικότητα από τη θάλασσα, άρα ψύχεται και θερμαίνεται πιο γρήγορα. Την ημέρα, η στεριά είναι προφανώς θερμότερη από τη θάλασσα και έτσι οι ψυχρότερες αέριες μάζες μετακινούνται από τη θάλασσα προς τη στεριά για να αντικαταστήσουν τις θερμές μάζες που ανέρχονται. Αυτή είναι η γνωστή θαλάσσια αύρα. Κατά τη διάρκεια της νύχτας συμβαίνει το αντίθετο αφού η θάλασσα είναι πιο ζεστή από τη στεριά. Επιπλέον, την ημέρα, τα βουνά θερμαίνονται πιο γρήγορα από τις γειτονικές κοιλάδες. Έτσι, δημιουργούνται τοπικοί άνεμοι από κοιλάδα προς την πλαγιά. Το αντίθετο συμβαίνει τη νύχτα. Α. Θαλάσσια αύρα που συμβαίνει κατά τη διάρκεια της ημέρας. Β. Απόγειος αύρα που συμβαίνει κατά τη διάρκεια της νύχτας. Γενικά οι άνεμοι κατατάσσονται στις παρακάτω κατηγορίες: Ημερήσιοι. Δημιουργούνται κατά τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ ξηράς και θάλασσας ή μεταξύ ορεινών και πεδινών περιοχών. Τέτοιοι άνεμοι είναι η θαλάσσια αύρα ή μπάτης και απόγειος αύρα. Διηνεκείς και περιοδικοί. ~ 69 ~

79 Διηνεκείς είναι οι άνεμοι που πνέουν όλο το χρόνο, ενώ περιοδικοί είναι εκείνοι που πνέουν μόνο κατά ορισμένες περιόδους. Εμπορικοί. Έτσι ονομάζονται οι άνεμοι που πνέουν από τις 30 ο βόρειο γεωγραφικό πλάτος προς τον ισημερινό, από τα βορειοανατολικά και εκείνοι που φυσούν από τις 30 ο νότιο πλάτος προς τον ισημερινό, από τα νοτιοανατολικά. Ήταν πολύτιμοι για τους ναυτικούς την εποχή που τα πλοία ήταν ιστιοφόρα. Μουσώνες. Είναι οι δυνατοί άνεμοι που φυσούν στον Ινδικό Ωκεανό και αλλάζουν διεύθυνση ανάλογα με την εποχή. Πλανητικοί ή γήινοι. Είναι οι δυνατοί άνεμοι που φυσούν από τις 30 ο -35 ο βόρειο και νότιο γεωγραφικό πλάτος προς τους αντίστοιχους πόλους. Τοπικοί. Έτσι ονομάζονται οι άνεμοι που πνέουν σε ορισμένες μόνο περιοχές της γης. Δημιουργούνται εξαιτίας της τοπογραφικής διαμόρφωσης αυτών των περιοχών και ορισμένων καιρικών διαταραχών. Σπουδαιότεροι από αυτούς είναι ο Bora (Αδριατική), Mistral (Γαλλία), Sirocco (Σαχάρα), Pampero (Αργεντινή και Ουρουγουάη), Khamsin (Αίγυπτος), Simoon (Αφρικανικές ερήμους), Λίβας και Βαρδάρης (Ελλάδα). Αληγείς και ανταληγείς. Ως αληγείς χαρακτηρίζονται οι άνεμοι που πνέουν μεταξύ της Ζώνης υποτροπικών νηνεμιών, δηλαδή της περιοχής με υψηλές βαρομετρικές πιέσεις σε κάθε ημισφαίριο, και της Ζώνης τροπικών νηνεμιών στον ισημερινό, όπου και παρατηρούνται χαμηλές βαρομετρικές πιέσεις. Ανταληγείς είναι οι άνεμοι που πνέουν κατ αντίθετη κατεύθυνση από εκείνη των αληγών. Αιολική Ενέργεια Ιστορική Αναδρομή Η δύναμη του ανέμου εκτιμήθηκε και χρησιμοποιήθηκε από τους ανθρώπους από πολύ νωρίς. Είχε τόσο εκτιμηθεί η σπουδαιότητά του, που ως φυσική δύναμη θεοποιούνταν. Οι αρχαίοι Έλληνες τιμούσαν σαν θεούς το Βορέα (το βόρειο άνεμο), το Νότο (το νότιο άνεμο), τον Εύρο (τον ανατολικό άνεμο), το Ζέφυρο (το δυτικό άνεμο). Ο Δίας είχε ορίσει διαχειριστεί και φύλακα των ανέμων τον Αίολο, ο οποίος τους κατηύθυνε από τη μυθική του νήσο, την Αιολία. Ο εγκλωβισμός των ανέμων στον ασκό του Αιόλου, υποδεικνύει την ανάγκη των ανθρώπων να τιθασεύσουν τους ανέμους και να τους διαθέτουν, τον καθένα στον τόπο και το χρόνο που οι ίδιοι ήθελαν. ~ 70 ~

80 Η αιολική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε αρχικά στη ναυσιπλοΐα για την κίνηση των ιστιοφόρων πλοίων, για εμπορικές συναλλαγές, «συγκοινωνία» και εξερευνήσεις. Ιστορικές αναφορές δείχνουν πως είναι μια μορφή ενέργειας που χρησιμοποιείται ήδη από το 3500 π.χ. Οι Αιγύπτιοι Οι Αιγύπτιοι χρησιμοποιούσαν τον άνεμο για την κίνηση ιστιοφόρων πλοίων, για τη μεταφορά ανθρώπων και αγαθών κατά μήκος του Νείλου ποταμού. Έλληνες, Πέρσες, Κινέζοι και άλλοι λαοί εκμεταλλεύονταν τη δύναμη του ανέμου στον αγροτικό τομέα για το άλεσμα δημητριακών και την άντληση νερού. Ο άνεμος δηλαδή έπαιξε αποφασιστικό ρόλο στην εξέλιξη της ανθρωπότητας. Για πολλές εκατοντάδες χρόνια η κίνηση των πλοίων στηριζόταν στη δύναμη του ανέμου, ενώ η χρήση του ανεμόμυλου ως κινητήριας μηχανής εγκαταλείπεται στα μέσα του προηγούμενου αιώνα. Είναι η εποχή που εξαπλώνονται ραγδαία τα συμβατικά καύσιμα και ο ηλεκτρισμός, ο οποίος φτάνει ως τα πιο απομακρυσμένα σημεία. Η πετρελαϊκή κρίση στις αρχές της δεκαετίας του 70, φέρνει ξανά στο προσκήνιο τις ΑΠΕ και την αιολική ενέργεια. Από τότε μέχρι σήμερα, η χρήση της αιολικής ενέργειας σημειώνει μια αλματώδη ανάπτυξη, κάτι που ενισχύεται και από την επιτακτική ανάγκη για την προστασία του περιβάλλοντος. ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Ως χαρακτηριστικό για το αιολικό δυναμικό μιας περιοχής θεωρείται η ταχύτητα του ανέμου. Τα όργανα που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του αιολικού δυναμικού είναι τα ανεμόμετρα. Αυτά καταγράφουν την ταχύτητα και την κατεύθυνση του ανέμου, μετατρέποντας την κινητική ενέργεια του αέρα σε μηχανική ροπή που στρέφει έναν άξονα συνδεδεμένο με μια μετρητική συσκευή. Υπάρχουν άλλες διατάξεις όπως τα ανεμόμετρα Sonic, laser Doppler κ.ά. που μετράνε τη θερμική ενέργεια που μεταφέρεται από τον αέρα σε ένα ηλεκτρισμένο καλώδιο εκτεθειμένο στον άνεμο. Οι μηχανικές διατάξεις είναι οι πιο διαδεδομένες λόγω της απλότητας της κατασκευής τους και της μικρής κατανάλωσης ενέργειας. Οι πιο συνηθισμένες μονάδες μέτρησης είναι: μέτρα ανά δευτερόλεπτο [m/s], χιλιόμετρα ανά ώρα [km/h], ναυτικά μίλια ανά ώρα [mph] (1mph = 0.51m/s = 1.836km/h). Η κλίμακα Μποφόρ (Βeaufort) είναι ένας εμπειρικός τρόπος μέτρησης της έντασης των ανέμων, που βασίζεται στην παρατήρηση των αποτελεσμάτων του ανέμου στη στεριά ή τη θάλασσα. Ανάλογα με την έντασή του ο άνεμος χαρακτηρίζεται ως: νηνεμία, 0 Μποφόρ (άπνοια) υποπνέων, 1 Μποφόρ ασθενής, 2-3 Μποφόρ μέτριος, 4-5 Μποφόρ ισχυρός, 6 Μποφόρ σφοδρός, 7 Μποφόρ θυελλώδης, 8-9 Μποφόρ (θύελλα) καταιγίζων, Μποφόρ (καταιγίδα) έντασης τυφώνα, 12 Μποφόρ (τυφώνας) Μέσω του ροδογράμματος μας δίνεται αμέσως η ταχύτητα και η κατεύθυνση του ανέμου σε συγκεκριμένη περιοχή. Στο κέντρο εμφανίζεται το ποσοστό άπνοιας ετησίως. Για τη δημιουργία του ροδογράμματος πρέπει να γίνουν μετρήσεις μεγάλης χρονικής διάρκειας (τουλάχιστον 10 ετών), σε ένα καθορισμένο ύψος (10 μέτρα ~ 71 ~

81 συνήθως), ώστε να θεωρηθούν αξιόπιστες. Ανά δέκα λεπτά, μετράται η ταχύτητα του ανέμου, τα δεδομένα αξιολογούνται σε διάστημα ενός έτους, ώστε να προκύψει η ετήσια μέση ταχύτητα του ανέμου και η ετήσια σχετική κατανομή. Ροδογράμματα διεύθυνσης και έντασης ανέμου (Λεσινίου και Αργοστολίου). Όμως, η γνώση μόνο αυτών των μεγεθών, δεν αποτελεί κριτήριο για την εκτίμηση του αξιοποιήσιμου αιολικού δυναμικού που μπορεί να προσφέρει μια περιοχή. Επιπλέον, απαιτείται, πληροφόρηση για τη συχνότητα εμφάνισης της κάθε ταχύτητας του ανέμου. Διεύθυνση του ανέμου Ως σημείο αναφοράς για το χαρακτηρισμό της διεύθυνσης του ανέμου, παίρνεται το σημείο του ορίζοντα από το οποίο πνέει ο άνεμος. Η κίνηση του ανέμου θεωρείται κατά προσέγγιση οριζόντια και ευθύγραμμη, για την ευκολότερη περιγραφή της κίνησής του. Γενικά χρησιμοποιούνται 2 τρόποι για τη διατύπωση της διεύθυνσης του ανέμου: ο κύκλος του ορίζοντα διαιρείται σε όγδοα ή σε δέκατα έκτα ή τριακοστά δεύτερα και τα χαρακτηριστικά των διάφορων σημείων του ανεμολογίου αυτού είναι ίδια με τα χαρακτηριστικά που αναγράφονται στην περιφέρεια του κινητού πλαισίου της μαγνητικής βελόνας της ναυτικής πυξίδας. ο ρόδακας των ανέμων στο ναυτικό ανεμολόγιο διαιρείται σε 32 κόμβους,οι οποίοι αριθμούνται από 1-32 κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού και με αφετηρία το σημείο του βορρά, ενώ στο μετεωρολογικό ανεμολόγιο η ~ 72 ~

82 αρίθμηση γίνεται σε δεκάμοιρα. Το σημείο του βορρά αντιστοιχεί στο γεωγραφικό και όχι στο μαγνητικό βορρά. Τα όργανα και οι συσκευές που δείχνουν την διεύθυνση του ανέμου ονομάζονται ανεμοδείκτες. Στην ευρύτερη περιοχή της Ευρώπης οι άνεμοι επηρεάζονται από τα ανατολικά ρεύματα του Ατλαντικού Ωκεανού, τα ψυχρά βόρεια ρεύματα και τα θερμά τοπικά ρεύματα της Σαχάρας. Έτσι οι επικρατούντες άνεμοι είναι για το χειμώνα οι νοτιοδυτικοί και για το καλοκαίρι οι δυτικοί και βορειοδυτικοί άνεμοι. Κατανομή ταχύτητας του ανέμου Κύριες διευθύνσεις των ανέμων στην Ευρώπη. Η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να αντιμετωπιστεί σαν μια συνεχής τυχαία μεταβλητή, αφού ο άνεμος έχει διακυμάνσεις και δεν παραμένει σταθερός. Η πιθανότητα για να εμφανιστεί κάποια τιμή της ταχύτητας του ανέμου, μπορεί να περιγραφεί από μια συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας. Υπάρχουν πολλές τέτοιες σχέσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν πως κατανέμεται η ταχύτητα του ανέμου. Οι δύο πιο κοινές είναι οι κατανομές Weibull και Rayleigh. Η κατανομή Weibull είναι μια ειδική περίπτωση της γενικευμένης Γάμμα κατανομής, ενώ η κατανομή Rayleigh είναι υποσύνολο της κατανομής Weibull. Το ποσοστό των ωρών του χρόνου κατά τις οποίες η ταχύτητα του ανέμου περιέχεται μεταξύ v και v+dv προσεγγίζεται από την κατανομή Weibull: ~ 73 ~

83 Όπου k1 kv k ( vc / ) f () v dv e dv cc f(v) είναι η πυκνότητα της πιθανότητας v είναι η ταχύτητα του αέρα, είναι θετικό μέγεθος [m/s] k είναι παράμετρος μορφοποίησης, είναι θετικό μέγεθος c είναι η παράμετρος κλίμακας, είναι θετικό μέγεθος Διάγραμμα της κατανομής Weibull για διάφορες τιμές της παραμέτρου μορφoποίησης k. Διάφορες μετρήσεις που έχουν γίνει σε όλο τον κόσμο με πραγματικές τιμές της ταχύτητας του ανέμου, έχουν δείξει πως η κατανομή Weibull μπορεί να τις προσεγγίσει με πολύ μεγάλη ακρίβεια, με μοναδική προϋπόθεση ότι αναφέρονται σε μια χρονική περίοδο που δεν είναι πολύ μικρή. Περίοδοι αρκετών εβδομάδων αλλά και μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα μπορούν να περιγραφούν πολύ ικανοποιητικά από την κατανομή Weibull, ενώ για μικρότερα χρονικά διαστήματα η περιγραφή αυτή δεν είναι τόσο αντιπροσωπευτική. Στον Ελλαδικό χώρο η παράμετρος μορφοποίησης συνήθως λαμβάνει τιμές μεταξύ 1,5 και 2. Όσο μικρότερη είναι η τιμή του k, τόσο η κατανομή γίνεται πιο ομοιόμορφη και οι ταχύτητες κοντά στη μέση ταχύτητα είναι συχνότερες. Η μέση ταχύτητα του ανέμου μπορεί να υπολογιστεί με τη χρήση της εξίσωσης που υπολογίζει την προσδοκόμενη τιμή μιας συνεχούς τυχαίας μεταβλητής και η οποία είναι: v mean c 1 vf () v dv k k 0 ~ 74 ~

84 Όπου Γ είναι η εξίσωση γάμμα του Euler. z1 t z t e dt ( ) Αν η παράμετρος k ισούται με 2, τότε η κατανομή Weibull ισούται με την κατανομή Rayleigh. Το πλεονέκτημα της κατανομής Rayleigh είναι ότι εξαρτάται μόνο από την παράμετρο κλίμακας c, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται μόνο από τη μέση ταχύτητα του ανέμου. Η παράμετρος c μπορεί να υπολογιστεί με βάση μια δεδομένη μέση ταχύτητα ανέμου ως εξής: 2 c vmean 0 για k = 2, Γ( 1 2 )= Διάγραμμα της συνάρτησης κατανομής Rayleigh για διαφορετικές τιμές του συντελεστή κλίμακας c. Ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα Καθώς η ατμόσφαιρα βρίσκεται σε σχετική κίνηση με τη γη, στο κατώτατο τμήμα της 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 τη μορφή της επιφάνειας της γης (τραχύτητα εδάφους) και από τον άνεμο. Για ομαλό έδαφος και αδύναμο άνεμο το πάχος του οριακού στρώματος μπορεί να είναι της τάξης των 200 μέτρων, ενώ για ανώμαλη επιφάνεια (μεγάλη τραχύτητα) και έντονο άνεμο είναι δυνατό να φθάσει μέχρι μέτρα. Έτσι όταν έχουμε στοιχεία για τη μέση ταχύτητα του ανέμου σε μια περιοχή ή έχουμε διαθέσιμες μετρήσεις του ανέμου πρέπει να γνωρίζουμε και το ύψος στο οποίο αναφέρονται, ώστε να μπορούμε να τα ανάγουμε στο ύψος που μας ενδιαφέρει. ~ 75 ~

85 Ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα και οι μεταβολές του ανάλογα μα την τραχύτητα του εδάφους. Ισχύς του ανέμου Η ισχύς ορίζεται ως ο ρυθμός χρήσης ή μετατροπής της ενέργειας και εκφράζεται ως ενέργεια ανά μονάδα χρόνου (W = Joule/sec). Για τον υπολογισμό της ισχύος του ανέμου, θεωρούμε μια αέρια μάζα m στιγμιαίας ταχύτητας v(t). Η κινητική ενέργεια του ανέμου είναι: 1 W t mv t 2 2 ( ) ( ) [J ή Ν.m] Αν Α είναι το εμβαδόν [m 2 ] μιας επιφάνειας που διαπερνά κάθετα ο άνεμος με ταχύτητα v(t) [m/s] και ρ η πυκνότητα της αέριας μάζας [kg/m 3 ] (συνήθης τιμή της πυκνότητας του αέρα ρ = 1,23kg/m 3 ), τότε η ανά μονάδα χρόνου μάζα του αέρα είναι: m( t) v( t) [kg/s] (μάζα του αέρα που διέρχεται από μια επιφάνεια Α ανά δευτερόλεπτο) Αντικαθιστώντας την παραπάνω σχέση στην εξίσωση που μας δίνει την κινητική ενέργεια του ανέμου προκύπτει ότι η ενέργεια ανά δευτερόλεπτο είναι: 1 3 W ( t) v ( t) [J/s] 2 Όμως η ισχύς ορίζεται ως ενέργεια ανά δευτερόλεπτο, επομένως από τις παραπάνω σχέσεις συνεπάγεται ότι η στιγμιαία ισχύς του ανέμου (ενέργεια στη μονάδα του χρόνου) θα προκύπτει από τη σχέση: ~ 76 ~

86 Pav v () t [W] Για μία ανεμογεννήτρια όμως A 2 R [m 2 ] Όπου R η ακτίνα του ρότορα της ανεμογεννήτριας Άρα Pav R v () t [W] Από την τελευταία σχέση φαίνεται ποσοτικά η σπουδαιότητα της ενέργειας του ανέμου σε σχέση με την ταχύτητά του καθώς η ισχύς είναι ανάλογη του κύβου της ταχύτητας και ανάλογη της επιφάνειας μέσω της οποίας διέρχεται ο άνεμος. Όμως στην πραγματικότητα μόνο ένα κλάσμα της διαθέσιμης ισχύος μπορεί να δεσμευτεί από μια ανεμογεννήτρια, λόγω απωλειών κατά τη διαδικασία δέσμευσης και παραγωγής ενέργειας. ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Όλοι γνωρίζουμε ότι τα τελευταία χρόνια υπάρχει μία ραγδαία αύξηση στη ζήτηση «καθαρής» ενέργειας, ώστε να μειωθεί κατά το δυνατόν η επιβάρυνση στο περιβάλλον. Η στροφή προς τις ήπιες μορφές ενέργειας έδωσε ώθηση στην εξέλιξη των τεχνολογιών των συστημάτων μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική και στην εμπορευματοποίηση των ανεμογεννητριών. Οι ανεμογεννήτριες κατασκευάστηκαν με σκοπό την εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας του ανέμου με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η αιολική ενέργεια μετατρέπεται στην ανεμογεννήτρια, αρχικά, σε μηχανική (κινητική) και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Δημιουργήθηκε λοιπόν η ανάγκη εκπόνησης εκτεταμένων ερευνών για τη βελτιστοποίηση των συστημάτων αυτών. Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών είναι συνεχώς εξελισσόμενη με αποτέλεσμα τη δημιουργία πιο αξιόπιστων και συνεχώς μεγαλύτερων ανεμογεννητριών όσον αφορά την ισχύ, το μέγεθος και την ενεργειακή απόδοσή τους. Στα τέλη του 1989 μια ανεμογεννήτρια των 300kW με διάμετρο πτερυγίων 30 μέτρων θεωρούνταν μεγάλο επίτευγμα. Ανεμογεννήτριες των 2.000kW και με διάμετρο πτερυγίων στα 80 μέτρα ήταν διαθέσιμες στις αρχές του Στις μέρες μας, υπάρχουν εμπορικά διαθέσιμες ανεμογεννήτριες ισχύος μέχρι 7MW με διάμετρο πτερυγίων 164 μέτρα. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η πρόοδος και η εξέλιξη της τεχνολογίας των ανεμογεννητριών στην πάροδο των χρόνων. ~ 77 ~

87 Εξέλιξη του μεγέθους των ανεμογεννητριών. Ιστορική εξέλιξη ανεμογεννητριών Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, μια καθαρή ήπια μορφή ενέργειας, η οποία δε μολύνει το περιβάλλον και δεν συμβάλλει όπως άλλες συμβατικές πηγές με τα καυσαέρια στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Επιπρόσθετα είναι μια ανεξάντλητη μορφή ενέργειας. Είναι μια από τις παλαιότερες φυσικές μορφές ενέργειας που αξιοποίησε από πολύ νωρίς ο άνθρωπος και έπαιξε αποφασιστικό ρόλο στην εξέλιξη της ανθρωπότητας. Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας γίνεται σχεδόν αποκλειστικά με μηχανές που μετατρέπουν την ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική και ονομάζονται ανεμογεννήτριες. Ιστορικές αναφορές δείχνουν πως οι Αιγύπτιοι, οι Έλληνες, οι Πέρσες και οι Κινέζοι χρησιμοποιούσαν αιολικές μηχανές. Γύρω στο 700 π.χ. στη Μεσοποταμία και την Κίνα άρχισαν να χρησιμοποιούνται ανεμόμυλοι κατακόρυφου άξονα περιστροφής, όπως το πανεμόνιο. Το πανεμόνιο είναι ο αρχαιότερος τύπος αιολικής μηχανής, που χρησιμοποιήθηκε κυρίως για την άντληση νερού. Είναι αιολική μηχανή κατακόρυφου άξονα, που διαθέτει 2 4 ημικυλινδρικά πτερύγια. Στρέφεται με αργό ρυθμό και έχει το μικρότερο συντελεστή απόδοσης σε σχέση με τις υπόλοιπες μηχανές. Υπάρχουν επίσης αναφορές για τη χρήση ανεμοκινητήρων στην Περσία το 200 π.χ. Δε γνωρίζουμε με σιγουριά πότε ακριβώς χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ο άνεμος για την παραγωγή μηχανικού έργου. Ωστόσο, η πρώτη γραπτή αναφορά σε ανεμόμυλο (συγκεκριμένα γίνεται αναφορά σε ένα συγκρότημα ανεμόμυλων) εμφανίζεται σε έργα Αράβων συγγραφέων του 9ου μ.χ. αιώνα. Αυτό το συγκρότημα ανεμόμυλων του 644 μ.χ. χρησιμοποιούνταν για την άλεση σιτηρών και βρισκόταν στο Σεϊστάν, μια περιοχή ανάμεσα στο σημερινό Αφγανιστάν και Ιράν. ~ 78 ~

88 Οι ανεμόμυλοι του Σεϊστάν, όπως σώζονται σήμερα. Ήταν οριζόντιου τύπου, δηλαδή με ιστία τοποθετημένα ακτινικά (οριζόντια φτερωτή) σε έναν κατακόρυφο άξονα. Ο άξονας αυτός στηριζόταν σε ένα μόνιμο κτίσμα, με ανοίγματα σε αντιδιαμετρικά σημεία για την είσοδο και την έξοδο του αέρα. Κάθε μύλος, μετέδιδε απ ευθείας κίνηση σε ένα μόνο ζεύγος οριζόντια τοποθετημένων μυλοπετρών. Οι πρώτοι μύλοι είχαν ιστία κάτω από τις μυλόπετρες, όπως δηλαδή συμβαίνει και τους οριζόντιους νερόμυλους, οι οποίοι πιθανότατα να αποτέλεσαν πρότυπο για την κατασκευή τους. Σε μερικούς από τους μύλους που σώζονται σήμερα, τα ιστία τοποθετούνται πάνω από τις μυλόπετρες. Το 13ο αιώνα οι μύλοι αυτού του τύπου ήταν γνωστοί στη Βόρεια Κίνα, όπου μέχρι και τον 16ο αιώνα τους χρησιμοποιούσαν για την εξάτμιση του θαλασσινού νερού στην παραγωγή αλατιού. Τον τύπο αυτού του μύλου χρησιμοποιούσαν επίσης στην Κριμαία, στις περισσότερες χώρες της Δυτικής Ευρώπης και στις ΗΠΑ, μόνο που λίγοι από αυτούς διασώζονται σήμερα. Ο πιο αντιπροσωπευτικός από όλους αυτούς τους τύπους των ανεμόμυλων είναι ο τύπος με το στροφείο σχήματος S (S rotor), εφευρέτης του οποίου είναι ο Φιλανδός S.J. Savοnius (1922), που ακόμη και σήμερα χρησιμοποιείται σε φτωχές ή απομονωμένες περιοχές λόγω της φτηνής και εύκολης κατασκευής του. Ανεμόμυλος τύπου Savonius ~ 79 ~

89 Οι ανεμόμυλοι αυτοί χρησιμοποιήθηκαν για την άλεση καλαμποκιού και για την άντληση νερού. Αυτούς τους ανεμόμυλους έφεραν στην Ευρώπη, πρώτα οι Σταυροφόροι με την Α Σταυροφορία και αργότερα οι εξερευνητές της Κίνας. Γρήγορα εξαπλώθηκαν στην Ιβηρική Χερσόνησο και τη Νότια Ευρώπη. Αργότερα, γύρω στο 1500 μ.χ., χρησιμοποιήθηκαν στην Ολλανδία ως μέρος του αντιπλημμυρικού συστήματος της χώρας και για την αποξήρανση περιοχών στον ποταμό Ρήνο. Ανεμόμυλος που χρησιμοποιούνταν στην Ολλανδία Στις αρχές του 14ου αιώνα αναπτύχθηκε στη Γαλλία ο ανεμόμυλος σε σχήμα πύργου (ξετροχάρης). Σε αυτό τον τύπο ανεμόμυλου οι μυλόπετρες και οι οδοντωτοί τροχοί ήταν τοποθετημένοι σε ένα σταθερό πύργο με κινητή οροφή ή κάλυμμα, στην οποία στηρίζονταν τα ιστία και η οποία μπορούσε να στραφεί επάνω σε ειδική τροχιά στην κορυφή του πύργου. Ο περιστρεφόμενος ανεμόμυλος με κοίλο εσωτερικά άξονα, επινοήθηκε στις Κάτω Χώρες στις αρχές του 15ου αιώνα. Διέθετε έναν κατακόρυφο άξονα με γρανάζια στα δύο άκρα του, ο οποίος περνούσε μέσα από τον κοίλο άξονα και κινούσε ένα τροχό με περιφερειακά διαταγμένα σκαφίδια που μετέφερε νερό σε υψηλότερη στάθμη. Οι ανεμόμυλοι διαδόθηκαν ευρέως στην Ευρώπη για 650 έτη, από το 12ο αιώνα μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα. Ήδη το 1900 στη Δανία υπήρχαν περισσότεροι από ανεμοκινητήρες για μηχανικά φορτία, όπως αντλίες και μύλοι. Με την πάροδο των χρόνων όμως περάσαμε από την εποχή των απλών ανεμοκινητήρων στην εποχή των ανεμοκινητήρων ανεμογεννητριών και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αυτές. Η πρώτη γνωστή ανεμογεννήτρια που λειτούργησε ήταν μια μηχανή φόρτισης μπαταρίας που εγκαταστάθηκε το 1887 από τον James Blyth στη Σκωτία. Ένας από τους πρώτους πρόγονους των μοντέρνων ~ 80 ~

90 ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα που χρησιμοποιούνται σήμερα μπήκε σε λειτουργία στη Γιάλτα της πρώην Σοβιετικής Ένωσης το Η ανεμογεννήτρια αυτή ήταν 100kW και συνδέθηκε με το τοπικό δίκτυο των 6,3kV. Στην Αμερική η τεχνολογία των ανεμόμυλων μεταφέρεται κατά το 17ο αιώνα, όπου και χρησιμοποιούνται για το άλεσμα σιτηρών. Στα εδάφη των σημερινών Η.Π.Α, εμφανίστηκαν οι ανεμόμυλοι γύρω στο Άγγλοι μετανάστες ανόρθωσαν τον πρώτο ανεμόμυλο στη Βιρτζίνια και έπειτα κατά μήκος της Ατλαντικής ακτής. Γαλλόφωνοι μετανάστες κατασκεύασαν του πρώτους ανεμόμυλους στα εδάφη του σημερινού Καναδά. Αυτοί οι Ευρωπαϊκού τύπου ανεμόμυλοι συνήθως είχαν τέσσερα πτερύγια καλυμμένα με πανιά από καμβά και ρυθμίζονταν δια χειρός, έτσι ώστε να βλέπουν προς τον άνεμο. Ήταν όμως μεγάλες και ακριβές κατασκευές. Το 1854 κατασκευάστηκαν από ιδιώτη οι πρώτοι λεγόμενοι αμερικανικοί ανεμόμυλοι, λόγω της διάδοσης που γνώρισαν στις Η.Π.Α. Επρόκειτο, για αργές και πολύπτερες αιολικές μηχανές που χρησιμοποιούνταν για την άντληση νερού και για το άλεσμα περιορισμένων ποσοτήτων σιτηρών. Η πρώτη ανεμογεννήτρια για την παραγωγή ενέργειας λειτούργησε το 1888 στο Κλίβελαντ του Οχάιο από τον Charles F. Brush. Η πρώτη ανεμογεννήτρια της τάξης των MW εγκαταστάθηκε στο Βέρμοντ το 1941, αν και μπόρεσε να δουλέψει μόνο για ώρες. Σιγά σιγά όμως, με την είσοδο στην αγορά των ατμομηχανών, άρχισε σταδιακά να περιορίζεται η χρήση των ανεμογεννητριών. Λόγω της οικονομικής ύφεσης του 1930 η βιομηχανία κατασκευής των ανεμόμυλων στις Η.Π.Α. δέχτηκε μεγάλο πλήγμα, από το οποίο δεν μπόρεσε ποτέ να ανακάμψει. Η οριστική εκτόπιση των ανεμόμυλων άρχισε μετά τον Α Παγκόσμιο Πόλεμο, παράλληλα με την ανάπτυξη του κινητήρα εσωτερικής καύσης και τη διάδοση του ηλεκτρισμού. Κατά τη δεκαετία του 1970, το ενδιαφέρον για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας με ανεμογεννήτριες και ανεμόμυλους ανανεώθηκε, λόγω της ενεργειακής κρίσης και των προβλημάτων που δημιουργεί η ρύπανση του περιβάλλοντος. Σήμερα, η Δανία, χώρα πλούσια σε αιολικό δυναμικό, έχει τα πρωτεία στην κατασκευή αλλά και τη χρήση ανεμογεννητριών. Και άλλες χώρες όμως έχουν αρχίσει να αναπτύσσουν ραγδαία την τεχνολογία των ανεμογεννητριών, που αποτελούν τη συνέχεια των ανεμόμυλων. Στην Ελλάδα, ο πρώτος ανεμόμυλος σχεδιάστηκε από τον Ήρωνα τον 1ο μ.χ. αιώνα και ήταν οριζόντιου άξονα περιστροφής. Σχηματική αναπαράσταση του ανεμόμυλου του Ήρωνα Η χρήση των ανεμόμυλων υπήρξε στη χώρα μας αρκετά εκτεταμένη, λόγω του πλούσιου αιολικού δυναμικού που είναι διαθέσιμο. Αν και είχαν εμφανιστεί ~ 81 ~

91 πολλούς αιώνες πριν, η χρήση τους καθιερώθηκε κατά τη Βυζαντινή περίοδο, γνωρίζοντας ακόμα μεγαλύτερη διάδοση κατά την περίοδο της Φραγκοκρατίας, κυρίως στο Ανατολικό Αιγαίο αλλά και στην ενδοχώρα. Κατά κανόνα, στεγάζονταν σε κυλινδρικά, πέτρινα, διώροφα κτίρια. Στον επάνω όροφο βρισκόταν ο άξονας και το σύστημα μετάδοσης της κίνησης, ενώ στον κάτω όροφο γινόταν η άλεση και αποθήκευση των σιτηρών. Τα πτερύγιά τους, ήταν πάνινα, 5 15 μέτρα σε μήκος και πλάτος το 1/5 του μήκους τους. Ένας ανεμόμυλος μπορούσε να αλέσει κιλά σιτηρών την ώρα, ανάλογα με την ένταση και τη φορά του ανέμου. Μια παραλλαγή ανεμόμυλων χρησιμοποιήθηκε στο οροπέδιο του Λασιθίου της Κρήτης, για την άντληση νερού. Αυτοί ήταν σιδερένιες κατασκευές με πάνινα πτερύγια. Από τους που υπολογίζεται ότι υπήρχαν στις αρχές του 20ου αιώνα, σήμερα λειτουργούν περίπου Στις μέρες μας, οι περισσότεροι ανεμόμυλοι έχουν ερειπωθεί και διατηρούνται ελάχιστοι, κυρίως για τουριστικούς λόγους. Στην Ελλάδα συναντώνται τέσσερις τύποι ανεμόμυλων. Δύο από αυτούς προέρχονται απευθείας από τον υδραυλικό τροχό με κατακόρυφο και οριζόντιο άξονα αντίστοιχα και χαρακτηρίζονται με την κοινή ονομασία ταράλης. Ο τρίτος τύπος αξετροχάρης ή μονόπαντος είναι σχεδιασμένος για μόνο μία διεύθυνση ανέμου, ενώ ο τέταρτος ξετροχάρης γυρίζει πάντα κάθετα προς τη διεύθυνση του ανέμου και είναι ο πιο διαδεδομένος. Ο πρώτος τύπος ταράλη, είναι ακριβώς όμοιος με τους ανεμόμυλους κατακόρυφου άξονα του Σεϊστάν. Φαίνεται πως είναι ο αρχαιότερος τύπος ελληνικού ανεμόμυλου με τα ιστία στο κάτω μέρος του μύλου και το σύστημα άλεσης των καρπών ακριβώς από πάνω. Ο δεύτερος τύπος ταράλη είναι οριζόντιου άξονα και μοιάζει ιδιαίτερα με τους υδροτροχούς των νερόμυλων. Μια κατασκευή σαν χοάνη οδηγεί τον άνεμο προς τα φτερά τα οποία, όταν κινούνται δίνουν μέσω ενός άξονα κίνηση στη μυλόπετρα. Και οι δύο παραπάνω τύποι είναι σχεδιασμένοι για μόνο μια διεύθυνση του ανέμου και τους βρίσκουμε μόνο στην Κάρπαθο. Ο αξετροχάρης ή μονόπαντος συναντάται, μόνο στην Κρήτη και στα Δωδεκάνησα. Είναι ανεμόμυλος που η σκεπή του δεν στρέφεται προς τη διεύθυνση του ανέμου. Το κτίσμα που στεγάζει τις μυλόπετρες και τους συναφείς μηχανισμούς είναι πεταλόσχημο και τα ιστία, που βρίσκονται στο προσήνεμο τμήμα του κτίσματος, ξετυλίγονται από τα ξύλινα δοκάρια του μύλου (αντένες) ανάλογα με την ένταση του ανέμου. Οι αντένες είναι στερεωμένες σε οριζόντιο άξονα συνήθως σε τέσσερα διαφορετικά επίπεδα, έτσι ώστε το σχήμα των ιστίων να είναι συστρεμμένο. Ο πιο διαδεδομένος ανεμόμυλος στον ελληνικό χώρο και ιδίως στα αιγαιοπελαγίτικα νησιά και στην Κρήτη, είναι ο ξετροχάρης. Πρόκειται για ανεμόμυλο, του οποίου η σκέπη περιστρέφεται ανάλογα με την διεύθυνση του ανέμου. Το κυρίως κτίσμα του μύλου είναι συνήθως κυλινδρικό ή μερικές φορές στενότερο στην κορυφή, μοιάζει δηλαδή με κόλουρο κώνο. Η σκέπη είναι κωνική ή σαγματοειδής. ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟΥ ΚΑΙ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ ΑΞΟΝΑ Η μορφή των ανεμογεννητριών έχει περάσει από πολλά στάδια στην πάροδο των χρόνων, πριν φτάσουμε στην κλασική, σημερινή τους μορφή. Σχεδόν σε όλες τις ανεμογεννήτριες έχουν δοκιμαστεί πολλές διαφορετικές λύσεις και όσον αφορά τον αριθμό των πτερυγίων αλλά και τον προσανατολισμό του άξονα. Οι δύο βασικές κατηγορίες ανεμογεννητριών διακρίνονται ανάλογα προς τον προσανατολισμό του ~ 82 ~

92 άξονα τους σε σχέση με την ροή του ανέμου σε ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα. Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα (VAWT - Vertical Axis Wind Turbines) Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους κάθετο ως προς το έδαφος και κατακόρυφο ως προς τη ροή του ανέμου. Από τον τρόπο της κατασκευής τους, "πιάνουν" τον αέρα από κάθε κατεύθυνση γεγονός που τις κάνει καταλληλότερες σε τοποθεσίες όπου ο αέρας δεν είναι σταθερός ή όπου περιβάλλονται από κάποια μικρά εμπόδια. Το μηχανικό έργο μεταφέρεται μέσω του κατακόρυφου άξονα στο έδαφος όπου είναι τοποθετημένο το σύστημα για μετατροπή σε άλλη μορφή ενέργειας. Οι πιο γνωστοί τύποι ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι οι ανεμογεννήτριες τύπου Darrieus και Savonius, οι οποίες όμως δεν έχουν γνωρίσει την εμπορική ανάπτυξη που έχουν οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα. ~ 83 ~

93 Η υψηλότερη ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα στο Quebec του Καναδά, ύψους 110m. Πλεονεκτήματα Η μηχανή δεν 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, οι ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου, είναι εύκολα προσβάσιμα συστήματα, καθιστώντας τη συντήρησή τους πολύ εύκολη και πολλές φορές δεν χρειάζεται πυλώνας στήριξης. Είναι κατάλληλες για αστικές εφαρμογές, καθώς μπορούν να τοποθετηθούν ακόμα και σε υψηλά κτίρια. Προκαλούν λιγότερο θόρυβο από τις ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα. Το κόστος κατασκευής τους είναι χαμηλό λόγω του απλού τους σχεδιασμού. Σε αυτές τις μηχανές ο έλεγχος βήματος πτερυγίου δεν είναι απαραίτητος όταν χρησιμοποιούνται με σύγχρονη γεννήτρια. ~ 84 ~

94 Μειονεκτήματα Πολλές φορές δεν είναι δυνατό να ξεκινήσουν να περιστρέφονται χωρίς εξωτερική επέμβαση, μιας και η ροπή εκκίνησης τους είναι πάρα πολύ υψηλή. Στην περίπτωση αυτή υποχρεωτικά πρέπει να λειτουργήσουν στην αρχή σαν κινητήρες, τραβώντας ρεύμα από το δίκτυο. Έχουν σχετικά μικρή απόδοση (για τον τύπο Savonius η απόδοση δεν ξεπερνά το 15%) μιας και η ταχύτητα 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. Σε σύγκριση με τις ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα, μια ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα για να έχει την ίδια περίπου παραγωγή με μια οριζόντιου άξονα, θα πρέπει να έχει μέχρι και τριπλάσια επιφάνεια επαφής με τον αέρα. Αυτό συνεπάγεται μεγάλο όγκο και βάρος της κατασκευής. Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbines) Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους οριζόντιο ως προς το έδαφος και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Αυτή τη στιγμή παγκόσμια οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα κατέχουν το συντριπτικό μερίδιο της αγοράς. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα χαρακτηρίζονται και κατηγοριοποιούνται με βάση των αριθμό των πτερυγίων τους. Οι ανεμογεννήτριες με ένα πτερύγιο ονομάζονται μονοπτέρυγες, με δύο διπτέρυγες, με τρία τριπτέρυγες και όλες οι άλλες με περισσότερα από τρία πτερύγια ονομάζονται πολυπτέρυγες. Η πτερωτή τους µπορεί να τοποθετηθεί είτε σε προσήνεµη διάταξη (up wind), δηλαδή μπροστά από τον πύργο στήριξης, είτε σε υπήνεµη διάταξη (down wind), δηλαδή πίσω από τον πύργο στήριξης σε σχέση µε την διεύθυνση του ανέµου. Οι μονοπτέρυγες αν και είναι φθηνότερες όλων, δεν απέκτησαν ποτέ μεγάλη δημοφιλία, είτε για αισθητικούς λόγους, είτε λόγω προβλημάτων στην εξισορρόπηση δυνάμεων της όλης κατασκευής κατά την περιστροφή τους, γεγονός που κάνει απαραίτητη την τοποθέτηση αντίβαρου στην πλήμνη. Παρόμοια προβλήματα εμφανίζουν και οι διπτέρυγες ανεμογεννήτριες αν και εκεί τα πράγματα είναι σαφώς καλύτερα. Σήμερα, η συντριπτική πλειοψηφία των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται στην αγορά είναι οι τριπτέρυγες. Το βασικό πλεονέκτημά τους είναι ότι είναι πιο σταθερές μιας και το αεροδυναμικό φορτίο κατανέμεται ομοιόμορφα ενώ και το μηχανικό εξισορροπείται. Εφαρμογές με μεγαλύτερο αριθμό πτερύγων (6, 8, 12 κ.ά.) έχουν υλοποιηθεί κατά καιρούς. Ο λόγος μεταξύ του συνολικού εμβαδού των πτερύγων προς την επιφάνεια σάρωσης ονομάζεται στιβαρότητα. Οι μηχανές με μεγάλο αριθμό πτερύγων προτιμώνται σε εφαρμογές που απαιτείται μεγάλη ροπή εκκίνησης, γιατί έχουν την ιδιότητα να μπορούν να ξεκινούν να περιστρέφονται ευκολότερα (μεγαλύτερη επιφάνεια αλληλεπιδρά με τον άνεμο αρχικά). Παρόλα αυτά, η ισχύς που παράγουν είναι μάλλον μικρότερη συγκρινόμενη με μια ανεμογεννήτρια λιγότερων πτερύγων που σαρώνει την ίδια επιφάνεια, λόγω αυξημένων αεροδυναμικών απωλειών. Έχει αποδειχθεί ότι οι τριπτέρυγοι ρότορες έχουν μεγαλύτερο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος από τους πολυπτέρυγους, έτσι οι τελευταίοι χρησιμοποιούνται ~ 85 ~

95 περιορισμένα μόνο σε κάποιες εφαρμογές όπως η άντληση υδάτων, όπου η απαιτούμενη ροπή εκκίνησης είναι μεγάλη. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα Πλεονεκτήματα Δε χρειάζονται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, οπότε και με πολύ μικρές ταχύτητες ανέμου μπορούμε να έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Η υψηλή βάση του πύργου επιτρέπει την πρόσβαση στον ισχυρότερο αέρα στις κατάλληλες περιοχές. Σε μερικές περιοχές με ισχυρό άνεμο, ανεβαίνοντας δέκα μέτρα στον πύργο, η ταχύτητα του αέρα μπορεί να αυξηθεί κατά 20% και η παραγωγή ισχύος κατά 34%. Εμφανίζουν υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή και υψηλή αποδοτικότητα, δεδομένου ότι τα πτερύγια κινούνται κάθετα προς τον αέρα, λαμβάνοντας ισχύ μέσω μιας πλήρους περιστροφής. Μειονεκτήματα Η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να τοποθετηθούν πάνω στον πύργο, γεγονός που κάνει την κατασκευή τους ακριβή και δύσκολη. Επιπλέον, οι πύργοι είναι πού υψηλοί και τα πτερύγια φτάνουν μέχρι και τα 150 μέτρα σε μήκος, γεγονός που κάνει δύσκολη τη μεταφορά και τοποθέτησή τους. ~ 86 ~

96 Σε σύγκριση με τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα, οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα χρειάζονται ενεργό μηχανισμό περιστροφής ή συνηθέστερα ένα ουριαίο πτερύγιο για τον προσανατολισμό στην κατεύθυνση του ανέμου. ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΟΙ ΤΥΠΟΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Αυτή τη στιγμή, οι περισσότεροι και μεγαλύτεροι παραγωγοί ανεμογεννητριών στον κόσμο κατασκευάζουν μεταβλητής ταχύτητας ανεμογεννήτριες με έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίων. Ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος γεννήτριας είναι οι επαγωγικές γεννήτριες, ενώ σε πολύ μικρό ποσοστό που όμως τελευταία παρουσιάζει κάποιες τάσεις αύξησης χρησιμοποιούνται σύγχρονες γεννήτριες με μόνιμο μαγνήτη. Κυρίαρχος τύπος ανεμογεννήτριας στην αγορά ανεμογεννητριών (σε ποσοστό που ξεπερνά το 70%) είναι αυτός με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG), με μεταβλητή ταχύτητα και μεταβλητό έλεγχο γωνίας κλίσης των πτερυγίων. Για ισχείς της τάξης των MW, μια ανεμογεννήτρια μπορεί να εξοπλιστεί με οποιονδήποτε τύπο τριφασικής γεννήτριας. Οι γενικές κατηγορίες γεννητριών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ανεμογεννήτριες είναι οι εξής: Σύγχρονες γεννήτριες Σύγχρονες γεννήτριες με μόνιμο μαγνήτη (PMSG) Σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) Ασύγχρονες ή επαγωγικές γεννήτριες Επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) Επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) Επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα (OSIG) Επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα διπλής τροφοδοσίας (DFIG) ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Η σύγχρονη γεννήτρια είναι πολύ πιο ακριβή και μηχανολογικά πολύ πιο πολύπλοκη από μια επαγωγική γεννήτρια ανάλογου μεγέθους. Το πλεονέκτημά της όμως σε σύγκριση με την ασύγχρονη γεννήτρια, είναι ότι το ρεύμα μαγνήτισης δε δημιουργείται από το κύκλωμα του στάτη. Το μαγνητικό πεδίο στις σύγχρονες γεννήτριες μπορεί να δημιουργηθεί με τη χρήση μόνιμων μαγνητών ή συμβατικών τυλιγμάτων στο δρομέα. Αν η σύγχρονη γεννήτρια έχει ένα κατάλληλο, μεγάλο αριθμό πόλων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων. ~ 87 ~

97 Σα σύγχρονη μηχανή, είναι καταλληλότερη για έλεγχο πλήρους ισχύος, μιας και συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Ο μετατροπέας αυτός αποσβένει τις διαταραχές ισχύος που οφείλονται στις ριπές ανέμου και τα μεταβατικά φαινόμενα που προέρχονται από το δίκτυο και ελέγχει τη μαγνήτιση έτσι ώστε η μηχανή να παραμένει συγχρονισμένη με τη συχνότητα του δικτύου, επιτρέποντας τη λειτουργία με μεταβλητή ταχύτητα στην ανεμογεννήτρια. Οι δύο πιο συνηθισμένοι τύποι σύγχρονων γεννητριών που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία των ανεμογεννητριών είναι: η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) και η σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) H σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα είναι ο βασικότερος τύπος σύγχρονης γεννήτριας που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα τυλίγματα του στάτη είναι συνδεδεμένα απευθείας στο δίκτυο και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η ταχύτητα περιστροφής να ρυθμίζεται από τη συχνότητα του δικτύου. Τα τυλίγματα του δρομέα διεγείρονται από συνεχές ρεύμα με τη χρήση δακτυλίων ολίσθησης και ψηκτρών ή μέσω ενός διεγέρτη χωρίς ψήκτρες με ένα στρεφόμενο ανορθωτή και είναι αυτά που παράγουν το πεδίο διέγερσης, το οποίο περιστρέφεται με σύγχρονη ταχύτητα. Το πλεονέκτημά της σε σχέση με τις επαγωγικές γεννήτριες, είναι ότι δε χρειάζεται περαιτέρω μέτρα αντιστάθμισης για τη ρύθμιση της αέργου ισχύος. Η ταχύτητα της σύγχρονης γεννήτριας καθορίζεται από τη συχνότητα του στρεφόμενου πεδίου και του αριθμού των πόλων. Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG) Τα τελευταία χρόνια, οι σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη έχουν αποκτήσει πολλούς υποστηρικτές, κι αυτό γιατί έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι αυτοδιεγειρόμενες και λειτουργούν με υψηλό συντελεστή ισχύος και υψηλή απόδοση. Η απόδοσή τους είναι υψηλότερη από των επαγωγικών μηχανών, επειδή η διέγερσή τους παρέχεται χωρίς να υπάρχει επιπλέον παροχή ενέργειας (αυτοδιεγειρόμενες). Ωστόσο, θα πρέπει να αναφερθεί εδώ ότι τα υλικά με τα οποία κατασκευάζονται οι μόνιμοι μαγνήτες είναι πολύ ακριβά και δύσκολα στην επεξεργασία, γεγονός που αυξάνει το κόστος των σύγχρονων γεννητριών μόνιμου μαγνήτη. Επιπλέον, η χρήση τέτοιων γεννητριών απαιτεί τη χρήση ενός μετατροπέα ισχύος πλήρους κλίμακας (o μετατροπέας που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση με το δίκτυο είναι ΑC/DC/AC) προκειμένου να γίνεται προσαρμογή της τάσης και της συχνότητας της γεννήτριας στην τάση και στη συχνότητα της γραμμής. Η χρήση αυτού του μετατροπέα ισχύος, αποτελεί ένα πρόσθετο κόστος. Το πλεονέκτημα όμως από τη χρήση τέτοιων γεννητριών είναι ότι μπορεί να παραχθεί ενέργεια σε κάθε ~ 88 ~

98 ταχύτητα. Ο στάτης των σύγχρονων γεννητριών μόνιμου μαγνήτη αποτελείται από ένα συμβατικό τριφασικό τύλιγμα και ο δρομέας αποτελείται από ένα σύστημα πόλων μόνιμου μαγνήτη, που μπορεί να είναι κυλινδρικοί ή έκτυποι. Οι έκτυποι πόλοι είναι πιο συνηθισμένοι σε μηχανές χαμηλής ταχύτητας και είναι πιο χρήσιμοι για εφαρμογές ανεμογεννητριών. Τα μειονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση σύγχρονων μηχανών με μόνιμο μαγνήτη στη λειτουργία των ανεμογεννητριών είναι ότι μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα κατά την εκκίνηση, το συγχρονισμό και τη ρύθμιση της τάσης καθώς επίσης προκαλούν δύσκαμπτη συμπεριφορά σε περίπτωση που η ταχύτητα του αέρα δεν είναι σταθερή. Επιπλέον, τα μαγνητικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τους είναι ευαίσθητα στις υψηλές θερμοκρασίες με αποτέλεσμα να απαιτείται κάποιο σύστημα ψύξης. ΑΣΥΓΧΡΟΝΕΣ Ή ΕΠΑΓΩΓΙΚΕΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Ο τύπος της γεννήτριας που κυρίως χρησιμοποιείται στις ανεμογεννήτριες, είναι η επαγωγική γεννήτρια. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν αυτές οι γεννήτριες είναι αρκετά, όπως ευρωστία, απλότητα στο μηχανικό κομμάτι και χαμηλό κόστος, που οφείλεται στο μεγάλο αριθμό παραγωγής τους. Το μεγάλο τους μειονέκτημα είναι ότι καταναλώνουν άεργο ισχύ. Η άεργος ισχύς μπορεί να παρέχεται από το δίκτυο ή από συστοιχίες πυκνωτών ή από ένα κατάλληλο σύστημα ηλεκτρονικών ισχύος. Η ασύγχρονη μηχανή σαν γεννήτρια διακρίνεται σε βραχυκυκλωμένου κλωβού και δακτυλιοφόρου δρομέα. Στην επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού το μαγνητικό πεδίο του δρομέα δημιουργείται εξ επαγωγής μόνο όταν ο στάτης είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο. Στην επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα, σε περίπτωση AC διέγερσης, το δημιουργούμενο μαγνητικό πεδίο περιστρέφεται σε μια ταχύτητα η οποία καθορίζεται από τον αριθμό των πόλων και τη συχνότητα του ρεύματος, δηλαδή τη σύγχρονη ταχύτητα. Ο δρομέας μπορεί να περιστρέφεται με ταχύτητα μεγαλύτερη ή μικρότερη της σύγχρονης ταχύτητας. Τότε ένα ηλεκτρικό πεδίο επάγεται μεταξύ του δρομέα και του στρεφόμενου πεδίου του στάτη από τη σχετική κίνηση (ολίσθηση), γεγονός που προκαλεί ένα ρεύμα στα τυλίγματα του δρομέα. Η αλληλεπίδραση μεταξύ του μαγνητικού πεδίου του δρομέα με το πεδίο του στάτη έχουν σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ροπής στο δρομέα. Επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) Οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι η επικρατούσα επιλογή σε απλές εφαρμογές εξαιτίας της μηχανικής τους απλότητας, της υψηλής τους απόδοσης και του ελάχιστου κόστους συντήρησης που απαιτούν. Με σύνδεση ~ 89 ~

99 απευθείας στο δίκτυο, η ταχύτητα της επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού μεταβάλλεται μόνο κατά ένα μικρό ποσοστό, εξαιτίας της ολίσθησης της γεννήτριας η οποία οφείλεται στις αλλαγές της ταχύτητας του ανέμου. Για το λόγο αυτό, οι γεννήτριες αυτές χρησιμοποιήθηκαν πολύ για σταθερής ταχύτητας ανεμογεννήτριες. Η γεννήτρια και ο άξονας της ανεμογεννήτριας συνδέονται μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων, μιας και η βέλτιστη προσδοκώμενη τιμή της ταχύτητας άξονα είναι διαφορετική από αυτή της γεννήτριας. Οι ανεμογεννήτριες που έχουν επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού συνήθως έχουν και ένα μηχανισμό ηλεκτρονικά ελεγχόμενου εκκινητή και αντισταθμιστή αέργου ισχύος με πυκνωτές, μιας και οι γεννήτριες αυτού του τύπου καταναλώνουν άεργο ισχύ. Οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού έχουν σαν χαρακτηριστικό τις απότομες αλλαγές στη ροπή με αποτέλεσμα οι διαταραχές του ανέμου να περνούν απευθείας στο δίκτυο. Αυτές οι διαταραχές είναι ιδιαίτερα σημαντικές κατά τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο, όπου η ένταση του μεταβατικού ρεύματος είναι 7 8 φορές μεγαλύτερη από την ονομαστική. Σε ένα αδύναμο δίκτυο, αυτό το υψηλό μεταβατικό ρεύμα μπορεί να προκαλέσει μεγάλες διαταραχές στην τάση, οπότε για αποφυγή αυτών των διαταραχών, η σύνδεση της ασύγχρονης γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού με το δίκτυο θα πρέπει να γίνεται σταδιακά προκειμένου να μειωθεί το μεταβατικό ρεύμα. Κατά τη διάρκεια της μόνιμης λειτουργίας και της άμεσης σύνδεσης με ένα στιβαρό AC δίκτυο, η σύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι πολύ εύρωστη και ευσταθής. Η ολίσθηση ποικίλει και αυξάνεται με αύξηση του φορτίου. Το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι ότι λόγω του ρεύματος μαγνήτισης που παρέχεται από το δίκτυο στα τυλίγματα του στάτη, ο συντελεστής ισχύος υπό πλήρες φορτίο είναι σχετικά μικρός, γεγονός που δεν είναι αποδεκτό και θα πρέπει να αντισταθμιστεί με σύνδεση πυκνωτών παράλληλα με τη γεννήτρια. Στις επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού υπάρχει μια μοναδική σχέση μεταξύ αέργου ισχύος, ενεργού ισχύος, τάσης στο τερματικό σημείο και ταχύτητας του δρομέα. Αυτό σημαίνει ότι σε υψηλές ταχύτητες ανέμου, η ανεμογεννήτρια μπορεί να παράγει μεγαλύτερα ποσά ενεργού ισχύος μόνο αν απορροφήσει περισσότερο άεργο ισχύ. Η κατανάλωση αέργου ισχύος για αυτές τις γεννήτριες είναι μη ελέγξιμη γιατί μεταβάλλεται με βάση τις συνθήκες του αέρα. Αν δεν υπάρχουν ηλεκτρικά στοιχεία να παρέχουν την άεργο ισχύ, τότε αυτή πρέπει να προέλθει απευθείας από το δίκτυο. Η άεργος ισχύς που παίρνεται από το δίκτυο μπορεί να προκαλέσει επιπρόσθετες απώλειες μεταφοράς και σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να κάνει το δίκτυο ασταθές. Σε περίπτωση σφάλματος, οι ασύγχρονες γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού που δεν έχουν κανένα σύστημα για την αντιστάθμιση της αέργου ισχύος, μπορεί να οδηγήσουν το δίκτυο σε αστάθεια της τάσης. Όταν υπάρξει ένα σφάλμα ή μία πτώση τάσης, ο δρομέας της ανεμογεννήτριας επιταχύνεται στιγμιαία εξαιτίας της ανισορροπίας μεταξύ της ηλεκτρικής και της μηχανικής ροπής. Απαιτείται τότε μεγαλύτερη ποσότητα αέργου ισχύος από το δίκτυο, το οποίο συνεπάγεται περεταίρω ~ 90 ~

100 μείωση της τάσης, λόγω της αύξησης της ολίσθησης, και οδηγούμαστε έτσι σ ένα φαύλο κύκλο. Με τη μεγάλη ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος, οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν μεταβλητής ταχύτητας ανεμογεννήτριες. Επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) Στις επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα, τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του δρομέα μπορούν να ελεγχθούν εξωτερικά από την τάση του δρομέα. Τα τυλίγματα του δρομέα συνδέονται εξωτερικά μέσω δακτυλίων ολίσθησης και ψηκτρών και με τη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος, η ισχύς μπορεί να εξαχθεί ή και να εισαχθεί στο κύκλωμα του δρομέα και η γεννήτρια μπορεί να μαγνητιστεί είτε από το κύκλωμα του στάτη είτε από το κύκλωμα του δρομέα. Το μειονέκτημα της επαγωγικής γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα είναι το σχετικά υψηλότερο κόστος σε σχέση με την αντίστοιχη βραχυκυκλωμένου κλωβού. Οι συνήθεις τύποι ασύγχρονων γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα που χρησιμοποιούνται είναι: με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα (OSIG) και η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG). Επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα (OSIG) Η επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα εισήχθη στην αγορά προκειμένου να μειωθεί το φορτίο στην ανεμογεννήτρια εξαιτίας των ριπών ανέμων. Επιτρέπει στη γεννήτρια να έχει μεταβαλλόμενη, θετική ολίσθηση και να επιλέγει τη βέλτιστη τιμή ολίσθησης, έτσι ώστε να έχουμε μικρότερες διαταραχές στη ροπή και στην εξαγόμενη ενέργεια. Η μεταβλητή ολίσθηση είναι πολύ αξιόπιστη και εύκολη να επιτευχθεί και συμβάλλει στην αποτελεσματική μείωση των φορτίων σε σχέση σε άλλες πιο πολύπλοκες λύσεις. Στην επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα, η εξωτερική μεταβλητή αντίσταση προσαρμόζεται στα τυλίγματα του δρομέα. Η ολίσθηση της γεννήτριας αλλάζει με τη μεταβολή της συνολικής αντίστασης του δρομέα μέσω του μετατροπέα που είναι τοποθετημένος στον άξονα του δρομέα. Ο μετατροπέας ελέγχεται οπτικά, άρα οι δακτύλιοι ολίσθησης δεν είναι απαραίτητοι. Ο στάτης της γεννήτριας είναι συνδεδεμένος απευθείας στο δίκτυο. Τα πλεονεκτήματα αυτού του τύπου γεννήτριας είναι η απλή τοπολογία του κυκλώματος του δρομέα, χωρίς απαραίτητα να υπάρχουν δακτύλιοι ολίσθησης, το μεγαλύτερο εύρος ταχυτήτων που μπορεί να επιτευχθεί σε σχέση με την επαγωγική ~ 91 ~

101 γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού, η ικανότητα της γεννήτριας να μειώσει μέχρι ενός σημείου τα μηχανικά φορτία και τις διαταραχές στην ενέργεια που οφείλονται στις ριπές ανέμου. Παρόλα αυτά, το σύστημα αντιστάθμισης αέργου ισχύος εξακολουθεί να είναι απαραίτητο. Τα μειονεκτήματά της είναι ότι το εύρος μεταβολής των ταχυτήτων κυμαίνεται μόνο μεταξύ 0 10%, μιας και εξαρτάται από το μέγεθος της μεταβλητής αντίστασης του δρομέα, η ενέργεια της ολίσθησης καταναλώνεται πάνω στη μεταβλητή αντίσταση του δρομέα σαν θερμότητα, επομένως έχουμε αυξημένες απώλειες και τέλος δεν μπορεί να γίνει πολύ αξιόλογος έλεγχος της ενεργού και της αέργου ισχύος. Επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα διπλής τροφοδοσίας (DFIG) Η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας είναι η εξέλιξη της επαγωγικής γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση, με την έννοια ότι η μεταβλητή αντίσταση στο δρομέα έχει αντικατασταθεί από έναν back to back IGBT μετατροπέα πηγής τάσης συνδεδεμένο στο δίκτυο, και κερδίζει συνεχώς όλο και μεγαλύτερο μερίδιο αγοράς. Τα τυλίγματα του στάτη είναι απευθείας συνδεδεμένα στο τριφασικό δίκτυο. Αυτό το σύστημα επιτρέπει να υπάρχει λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας με ένα αρκετά μεγάλο εύρος. Ο μετατροπέας αντισταθμίζει τη διαφορά μεταξύ της μηχανικής και ηλεκτρικής συχνότητας, εγχύοντας ένα ρεύμα μεταβλητής συχνότητας στον δρομέα. Στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας αλλά και σε περίπτωση σφαλμάτων, η συμπεριφορά της γεννήτριας καθορίζεται από το μετατροπέα και τους ελεγκτές του. Όσον αφορά τον έλεγχο, ο μετατροπέας στην πλευρά του δρομέα ελέγχει την ενεργό και άεργο ισχύ της μηχανής μέσω ελέγχου του ρεύματος του δρομέα, ενώ ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου ελέγχει την τάση στη DC διασύνδεση και διασφαλίζει λειτουργία με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Ανάλογα με τη λειτουργία, η ισχύς του δρομέα μπορεί να μεταφερθεί και προς τις δύο κατευθύνσεις. Σε περίπτωση υπερσύγχρονης λειτουργίας (θετική ολίσθηση), έχουμε ροή ισχύος από το δρομέα μέσω του μετατροπέα στο δίκτυο, ενώ σε περίπτωση υποσύγχρονης λειτουργίας (αρνητική ολίσθηση), η ροή ισχύος είναι αντίθετη ενώ και στις δύο περιπτώσεις ο στάτης παρέχει ενέργεια στο δίκτυο. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας σε σχέση με την επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα, είναι ότι στην περίπτωση υποσύγχρονης λειτουργίας η αυξημένη ισχύς στο δρομέα οδηγείται στο δίκτυο αντί να χάνεται σε ωμικές αντιστάσεις. Η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας δεν είναι απαραίτητο να μαγνητίζεται από το δίκτυο αλλά αυτό μπορεί να γίνει και από το κύκλωμα του ~ 92 ~

102 δρομέα. Επίσης, είναι ικανή να παράγει άεργο ισχύ η οποία μπορεί να μεταφερθεί στο στάτη μέσω του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου. Ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου διορθώνει συνολικά το συντελεστή ισχύος και έτσι εμπλέκεται εμμέσως στην ανταλλαγή αέργου ισχύος μεταξύ του στάτη και του δικτύου. Σε περίπτωση που υπάρχει ένα αδύναμο δίκτυο, όπου υπάρχουν διαταραχές στην τάση, μπορεί να ζητηθεί από την επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας να παράγει προς το δίκτυο ή να απορροφήσει κάποιο ποσό αέργου ισχύος από το δίκτυο, προκειμένου να υπάρξει έλεγχος της τάσης. Το μέγεθος του μετατροπέα δεν σχετίζεται με τη συνολική ισχύ της γεννήτριας αλλά με το επιλεγμένο εύρος ρύθμισης της ταχύτητας. Έτσι, ότι κερδίζουμε σε κόστος, το χάνουμε σε δυνατότητα εύρους της μεταβλητής ταχύτητας. Τέλος, μειονέκτημα αυτού του τύπου της γεννήτριας είναι ότι οι δακτύλιοι ολίσθησης είναι απαραίτητοι. ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Δύο είναι οι βασικές κατηγορίες στις οποίες χωρίζονται οι ανεμογεννήτριες. Ο διαχωρισμός αυτός έχει να κάνει με την ταχύτητα περιστροφής. Οπότε έχουμε τη μια κατηγορία, ιστορικά παλαιότερη, η οποία περιλαμβάνει τις ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας και μια δεύτερη, νεότερη, η οποία περιλαμβάνει τις ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας. Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας αποτελεί πλέον την αποκλειστική τεχνολογία στα αιολικά συστήματα και ως εκ τούτου είναι ιδιαίτερου ενδιαφέροντος τόσο σε θεωρητικό επίπεδο όσο και στο πεδίο της εφαρμογής. Ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας (Fixed Speed Wind Turbines FSWT) Οι ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας χρησιμοποιήθηκαν στα πρώτα στάδια ανάπτυξης των ανεμογεννητριών στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ταχύτητα του δρομέα δεν προσαρμόζεται σύμφωνα με την ταχύτητα του ανέμου, αλλά καθορίζεται από τη συχνότητα του δικτύου, την αναλογία του κιβωτίου ταχυτήτων, και το σχεδιασμό της γεννήτριας (αριθμός πόλων, τύπο μηχανής κλπ.). Η ολίσθηση των γεννητριών αυτής της κατηγορίας ποικίλλει ανάλογα με την παραγόμενη ενεργό ισχύ, έτσι η ταχύτητα δεν είναι πραγματικά σταθερή, εντούτοις δεδομένου ότι οι μεταβολές της ταχύτητας είναι πολύ μικρές (1% - 2%), θεωρούνται αμελητέες. Αντιπροσωπευτικότερη τοπολογία ανεμογεννήτριας σταθερής ταχύτητας είναι αυτή που χρησιμοποιεί μια ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG). Η γεννήτρια στην τοπολογία αυτή, συνδέεται απευθείας με το δίκτυο μέσω ενός μετασχηματιστή. Επιπλέον, χρησιμοποιείται μια συστοιχία πυκνωτών για την αντιστάθμιση αέργου ισχύος, αφού η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού καταναλώνει πάντα άεργο ισχύ. Για την επίτευξη ομαλής εκκίνησης και σύνδεσης με το δίκτυο, χρησιμοποιείται ένας ηλεκτρονικά ελεγχόμενος προοδευτικός εκκινητής (soft starter). ~ 93 ~

103 Ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού. Αυτού του είδους οι ανεμογεννήτριες είναι έτσι σχεδιασμένες ούτως ώστε να επιτυγχάνεται μέγιστη απόδοση σε κάποια συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου. Η ονομαστική ισχύς επιτυγχάνεται σε επίπεδα ταχύτητας από 12m/s έως 15m/s. Η ταχύτητα του ανέμου στην οποία επιτυγχάνεται η ονομαστική ισχύς, ονομάζεται ονομαστική ταχύτητα του ανέμου. Σε τιμές ταχύτητας μικρότερες των 3m/s περίπου, η αιολική ενέργεια που είναι διαθέσιμη είναι αρκετά περιορισμένη και οι ανεμογεννήτριες σταματούν τη λειτουργία τους. Σε τιμές του ανέμου μεγαλύτερες από την ονομαστική, η ανεμογεννήτρια θα πρέπει να περιορίσει την εισερχόμενη ενέργεια στο επίπεδο της ονομαστικής. Αυτό μπορεί να γίνει με μεταβολή της θέσης των πτερυγίων. Δύο είναι οι κύριες μέθοδοι για να γίνει αυτό. Είτε τα πτερύγια είναι σχεδιασμένα με τρόπο ώστε στις μεγάλες ταχύτητες να αλλάζει η ροή του αέρα πάνω τους δημιουργώντας τυρβώδη ροή με αποτέλεσμα να μειώνουν των απόδοσή τους λόγω απώλειας στήριξης. Είτε τα πτερύγια στρέφονται εκτός της φοράς του ανέμου, οπότε έχουμε έλεγχο γωνίας βήματος. Για να επιτευχθεί μια μερική προσαρμογή στη βέλτιστη ταχύτητα περιστροφής και μεγαλύτερη παραγωγή ενέργειας, οι γεννήτριες σταθερής ταχύτητας κατασκευάζονται σήμερα με διπλά τυλίγματα στάτη. Το ένα χρησιμοποιείται σε μικρές ταχύτητες ανέμου (έχει συνήθως 8 πόλους) και το άλλο σε μέσες και υψηλές ταχύτητες ανέμου (έχει συνήθως 4 6 πόλους). Μερικοί κατασκευαστές προσαρμόζουν στις ανεμογεννήτριές τους δύο επαγωγικές γεννήτριες, μια μικρή για τις περιόδους που υπάρχουν χαμηλές ταχύτητες αέρα και μια μεγαλύτερη για τις περιόδους με υψηλότερες τιμές ταχύτητας αέρα. Ένας άλλος σχεδιασμός είναι οι επαγωγικές γεννήτριες με μεταβαλλόμενους πόλους, δηλαδή γεννήτριες που μπορούν να λειτουργούν με διαφορετικό αριθμό πόλων επομένως και με διαφορετική περιστροφική ταχύτητα. Αυτός ο σχεδιασμός συνεχίζεται να θεωρείται ότι ανήκει στην κατηγορία της γεννήτριας σταθερής ταχύτητας όσον αφορά στα μηχανικά φορτία και την αλληλεπίδρασή της με το δίκτυο. Το αν έχει αξία να χρησιμοποιηθούν δύο γεννήτριες ή ένας μεγαλύτερος αριθμός πόλων για χαμηλές ταχύτητες, εξαρτάται από τη μορφή των ανέμων στη συγκεκριμένη περιοχή και το επιπλέον κόστος της γεννήτριας μεταβλητών πόλων σε σύγκριση με το όφελος από την παραγόμενη ενέργεια και την αύξηση στην αεροδυναμική απόδοση. Ακόμα ένα πλεονέκτημα είναι ότι το επίπεδο του θορύβου από τα πτερύγια μειώνεται στις χαμηλότερες ταχύτητες του ρότορα. Η χρήση των ανεμογεννητριών σταθερής ταχύτητας εμφανίζει κάποια πλεονεκτήματα και κάποια μειονεκτήματα. Τα πλεονεκτήματα είναι: Η κατασκευή τους είναι σχετικά απλή. Έχουν χαμηλό κόστος και μηδενικές ανάγκες συντήρησης. ~ 94 ~

104 Είναι σθεναρές μηχανές. Είναι αρκετά αξιόπιστες και δεν απειτούν έλεγχο ταχύτητας, αφού η ταχύτητα είναι σταθερή. Στα μειονεκτήματά τους περιλαμβάνονται: Το γεγονός ότι δεν μπορεί να γίνει έλεγχος για τη βελτίωση της ποιότητας της παραγόμενης ενέργειας ή την κατανάλωση αέργου ισχύος. Μεγάλες μηχανικές καταπονήσεις στις απότομες αλλαγές του ανέμου. Όλες οι αναταράξεις του αέρα μεταφέρονται σαν διαταραχές στη μηχανική ροπή, την παραγόμενη ισχύ και εν τέλει μεταφέρονται σαν διαταραχές στο ηλεκτρικό δίκτυο. Το γεγονός αυτό μπορεί να δημιουργήσει σημαντικά προβλήματα στην περίπτωση που έχουμε ασθενές δίκτυο, αφού οι διαταραχές στην ενέργεια μπορεί να οδηγήσουν σε μεγάλες διαταραχές της τάσης, με αποτέλεσμα αυξημένες απώλειες στις γραμμές. Η μηχανική κατασκευή πρέπει να είναι τέτοια ώστε να είναι σε θέση να αντέχει υψηλές μηχανικές καταπονήσεις. Ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας (Variable Speed Wind Turbines VSWT) Τα τελευταία χρόνια η τεχνολογία των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας, είναι η κυρίαρχη στο χώρο της παραγωγής αιολικής ενέργειας. Όπως είναι προφανές και από την ονομασία τους, οι μηχανές αυτού του τύπου μπορούν να λειτουργήσουν σε ένα μεγάλο εύρος διαφορετικών τιμών ταχύτητας του ανέμου ούτως ώστε να έχουμε τη μέγιστη αεροδυναμική απόδοση. Μια μηχανή μεταβλητής ταχύτητας, χρησιμοποιεί διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος προκειμένου να μεταβάλλει την ταχύτητά της, ανάλογα με τις αεροδυναμικές συνθήκες, ενώ συνδέει τη γεννήτρια στη σταθερή συχνότητα του δικτύου. Με βάση τον τρόπο λειτουργίας των μηχανών μεταβλητής ταχύτητας, έχει γίνει δυνατή η προσαρμογή της περιστροφικής ταχύτητας ω r του δρομέα της μηχανής ανάλογα προς την ταχύτητα v του αέρα. Έτσι, ο λόγος ταχύτητας των ακροπτερυγίων λ μπορεί να διατηρηθεί σταθερός σε μια προκαθορισμένη τιμή, τη βέλτιστη λ opt, η οποία αντιστοιχεί στο μέγιστο συντελεστή αεροδυναμικής απόδοσης C optmax. Η μέγιστη παραγόμενη ισχύς μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητής ταχύτητας, εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου. Αυτό μπορεί να απεικονισθεί σε ένα διάγραμμα, χαρακτηριστικό για κάθε ανεμογεννήτρια, το οποίο ονομάζεται χαρακτηριστική καμπύλη ηλεκτρικής ισχύος ταχύτητας ανέμου. ~ 95 ~

105 Χαρακτηριστική καμπύλη ηλεκτρικής ισχύος ταχύτητας ανέμου, μιας ανεμογεννήτριας 3ΜW. Στο διάγραμμα αυτό διακρίνουμε την ονομαστική ισχύ της γεννήτριας P N, που αντιστοιχεί στην ονομαστική ταχύτητα του ανέμου v rated, την ταχύτητα αποσύζευξης v cut-off, και την ταχύτητα έναρξης v cut-in. Ταχύτητα έναρξης v cut-in : Η ελάχιστη ταχύτητα ανέμου για την οποία μία ανεμογεννήτρια αρχίζει να αποδίδει ωφέλιμη ισχύ. Σε ταχύτητες μικρότερες της v cut-in οι μηχανικές απώλειες είναι απαγορευτικές για την απόδοση ωφέλιμης ισχύος. Στην περιοχή πριν από το v cut-in οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν μηχανική πέδηση ώστε να μην υπάρχει άσκοπη λειτουργία και μηχανικές φθορές. Ονομαστική ταχύτητα του ανέμου v rated : H ταχύτητα του ανέμου κατά την οποία η ανεμογεννήτρια λειτουργεί στα ονομαστικά της μεγέθη και παράγει την ονομαστική της ισχύ. Ταχύτητα αποσύζευξης v cut-off : : H ταχύτητα κατά την οποία η ανεμογεννήτρια σταματάει να λειτουργεί για λόγους ασφαλείας και για την αποφυγή μεγάλης καταπόνησης των υδραυλικών της κομματιών και κυρίως των πτερυγίων. Η ανάπτυξη μεγάλων ταχυτήτων στο δρομέα μπορεί να γίνει ανεξέλεγκτη, με κίνδυνο καταστροφής της γεννήτριας, εφόσον είναι δυνατόν να παραχθούν μεγάλα ρεύματα σε σχέση με τα μέγιστα της γεννήτριας, αλλά και κίνδυνο αποκόλλησης της φτερωτής κι άλλων μηχανικών κομματιών της με οδυνηρές συνέπειες για ότι βρίσκεται σε ακτίνα πολλών μέτρων (αναλόγως της διαμέτρου της έλικας και του ύψους ανύψωσης του δρομέα). Για το λόγο αυτό, στην ταχύτητα v cut-off η ~ 96 ~

106 ανεμογεννήτρια φρενάρεται μέσω συστημάτων πέδησης ή μέσω της απομάκρυνσης των πτερυγίων από την κατεύθυνση του πνέοντος ανέμου. Η περιοχή μεταξύ v cut-in και v rated είναι κύριου ενδιαφέροντος για τη λειτουργία μεταβλητών στροφών, αφού εκεί επενεργεί ο κατάλληλος έλεγχος για την προσαρμογή της ταχύτητας περιστροφής της ανεμογεννήτριας έτσι ώστε να έχουμε την μέγιστη απομάστευση ισχύος. Στην περιοχή μεταξύ v rated και v cut-off η ανεμογεννήτρια δουλεύει με σταθερή ταχύτητα, όση η ονομαστική (ρυθμίζεται με έλεγχο γωνίας βήματος) ώστε η μηχανή να μην ξεπερνά τις ονομαστικές τιμές λειτουργίας της. Στην περιοχή αυτή έχουμε προφανώς απόρριψη σημαντικής ισχύος αλλά προέχει η ασφαλής λειτουργία στο μέγιστο επιτρεπτό όριο. Ένας σημαντικός λόγος για να λειτουργεί μια μηχανή εν μέρει τουλάχιστον με μεταβλητή ταχύτητα είναι όταν αυτό γίνεται σε συνδυασμό με τη λειτουργία του ελέγχου γωνίας βήματος σε επαγωγικές γεννήτριες. Είναι γνωστό ότι ο έλεγχος γωνίας βήματος είναι μια μηχανική διαδικασία. Αυτό σημαίνει ότι ο χρόνος αντίδρασης του μηχανισμού του ελέγχου γωνίας βήματος έχει κάποια όρια και γενικά είναι μεγάλος. Ωστόσο, αν χρησιμοποιηθεί μια γεννήτρια με μεταβλητή ταχύτητα, η ολίσθηση θα είναι παράμετρος του ελέγχου. Όταν υπάρξουν ριπές ανέμου, ο μηχανισμός ελέγχου δίνει σήμα να αυξηθεί η ολίσθηση της γεννήτριας, προκειμένου να επιτρέψει στο ρότορα να κινηθεί λίγο πιο γρήγορα ενώ ο μηχανισμός του ελέγχου γωνίας βήματος αρχίζει να ανταπεξέρχεται στην κατάσταση στρέφοντας τα πτερύγια περισσότερο εκτός της πορείας του ανέμου. Μόλις ο μηχανισμός του ελέγχου γωνίας βήματος έχει κάνει τη δουλειά του, η ολίσθηση μειώνεται και πάλι. Σε περίπτωση που η ταχύτητα του ανέμου μειωθεί ξαφνικά, η διαδικασία που προαναφέρθηκε γίνεται αντίστροφα. Οπότε, το μηχανικό σύστημα του ελέγχου της γωνίας βήματος συμβάλλει πιο ενεργά στη ρύθμιση της ταχύτητας της μηχανής και το ηλεκτρικό σύστημα ελέγχει τη ροπή. Το να λειτουργεί μια γεννήτρια σε υψηλές τιμές ολίσθησης παράλληλα σημαίνει μεγαλύτερες απώλειες (μεγαλύτερα ποσά θερμότητας) και κατ επέκταση μικρότερη απόδοση. Αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα από μόνο του, μιας και η μόνη εναλλακτική λύση είναι να σπαταληθεί η περίσσεια ενέργεια στρέφοντας τα πτερύγια της μηχανής εκτός της πορείας του αέρα. Ένα από τα μεγαλύτερα οφέλη αυτής της στρατηγικής ελέγχου που αναφέρθηκε παραπάνω είναι η καλύτερη ποιότητα παραγόμενης ενέργειας. Οι διακυμάνσεις στην παραγόμενη ενέργεια μειώνονται μέσω της μεταβολής της ολίσθησης της γεννήτριας και με το να αποθηκεύεται ή να ελευθερώνεται μέρος της ενέργειας σαν κινητική ενέργεια πάνω στο ρότορα της ανεμογεννήτριας. Η ολίσθηση σε μια επαγωγική μηχανή είναι συνήθως πολύ μικρή για λόγους καλύτερης απόδοσης, οπότε η περιστροφική ταχύτητα ποικίλει 1% 3% μεταξύ της λειτουργίας εν κενώ αλλά και υπό πλήρες φορτίο. Η ολίσθηση ωστόσο, εξαρτάται από την αντίσταση στα τυλίγματα του ρότορα της γεννήτριας. Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση, τόσο μεγαλύτερη είναι και η ολίσθηση. Στις επαγωγικές γεννήτριες ένας τρόπος να μεταβληθεί η ολίσθηση και κατ επέκταση η ταχύτητα είναι να μεταβληθεί η αντίσταση στο δρομέα, όπως στο παρακάτω σχήμα, το οποίο αποτελεί την τοπολογία περιορισμένης μεταβλητής ταχύτητας. ~ 97 ~

107 Τοπολογία περιορισμένης μεταβλητής ταχύτητας με ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα. Πρόκειται για ανεμογεννήτρια μειωμένης μεταβλητής ταχύτητας με μια ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG). Η γεννήτρια στην τοπολογία αυτή, συνδέεται απευθείας με το δίκτυο μέσω ενός ηλεκτρικού μετασχηματιστή ισχύος. Επιπλέον, χρησιμοποιείται μια συστοιχία πυκνωτών για την αντιστάθμιση αέργου ισχύος, αφού η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού καταναλώνει πάντα άεργο ισχύ. Για την επίτευξη ομαλής εκκίνησης και σύνδεσης με το δίκτυο, χρησιμοποιείται ένας ηλεκτρονικά ελεγχόμενος προοδευτικός εκκινητής (soft starter). Τέλος, χρησιμοποιείται μια εξωτερικά οπτικά ελεγχόμενη μεταβλητή αντίσταση στο δρομέα, (προστίθεται στην ήδη υπάρχουσα αντίσταση του δρομέα) και δίνει τη δυνατότητα μεταβολής της ολίσθησης. Με αυτό τον τρόπο, η ολίσθηση της γεννήτριας μπορεί να αυξηθεί περίπου κατά 10% έχοντας και αντίστοιχη μεταβολή στην ταχύτητα, γεγονός που οδηγεί στον έλεγχο της παραγόμενης ισχύος.. Η λύση αυτή δίνει πολύ περιορισμένο εύρος ταχυτήτων. Η χρήση μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα, δηλαδή μέσω ενός δρομέα με χάλκινα τυλίγματα, τα οποία συνδέονται σε αστέρα και συνδέονται με εξωτερική μεταβλητή αντίσταση, η οποία ελέγχεται από ένα πρόσθετο ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου για τις αντιστάσεις έχει το μειονέκτημα ότι η επιπλέον παραγόμενη ενέργεια καταναλώνεται ως θερμότητα στην αντίσταση.. Η σύνδεση συνήθως γίνεται με ψήκτρες και δακτυλίους ολίσθησης, που αποτελεί ένα σαφές μειονέκτημα. Τα στοιχεία της σύνδεσης είναι στοιχεία που φθείρονται εύκολα, πράγμα που σημαίνει ότι απαιτείται περισσότερη συντήρηση για τη γεννήτρια. Ένας άλλος τρόπος για να λειτουργεί μια επαγωγική γεννήτρια σαν μηχανή μεταβλητής ταχύτητας είναι με την τεχνική που φαίνεται στη συνέχεια και αποτελεί την τοπολογία μεταβλητής ταχύτητας με μερικής κλίμακας ηλεκτρονικό μετατροπέα συχνότητας με επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα. ~ 98 ~

108 Τοπολογία μεταβλητής ταχύτητας με μερικής κλίμακας ηλεκτρονικό μετατροπέα συχνότητας με επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα. Πρόκειται για ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με μια ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) και συγκεκριμένα με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG). O δρομέας της γεννήτριας συνδέεται σε ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος μερικής κλίμακας (AC/DC/AC μετατροπέας ισχύος με μεταβλητή συχνότητα) και εξασφαλίζει την αντιστάθμιση αέργου ισχύος και την ομαλή σύνδεση της γεννήτριας με το δίκτυο. Η κυκλική ταχύτητα είναι ανάλογη της διαφοράς της συχνότητας του στάτη (δίκτυο) και της συχνότητας του δρομέα (μετατροπέας). Το εύρος της ταχύτητας για μια μηχανή με την τεχνική αυτή είναι ανάλογη με το μέγεθος του μετατροπέα. Ένα σύνηθες μέγεθος μετατροπέα είναι στο 30% της ονομαστικής ισχύος της γεννήτριας που συνεπάγεται εύρος της ταχύτητας στο ±30%. Το κύριο μειονέκτημα της διάταξης αυτής είναι το μεγάλο της κόστος. Το κόστος του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος επιβαρύνει το συνολικό κόστος, βέβαια με τη χρήση μικρότερης κλίμακας μετατροπέων και με τη συνεχή μείωση των τιμών των διατάξεων αυτών, η τοπολογία αυτή έχει γίνει οικονομικά συμφέρουσα. Μια άλλη τοπολογία στην τεχνική της μεταβλητής ταχύτητας θέλει τη γεννήτρια συνδεδεμένη με το δίκτυο μέσω ενός ανορθωτή σε σειρά με έναν αντιστροφέα, όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Τότε η κυκλική ταχύτητα της μηχανής μπορεί να ελεγχθεί ανεξάρτητα της συχνότητας του δικτύου. Τοπολογία μεταβλητής ταχύτητας με πλήρους κλίμακας ηλεκτρονικό μετατροπέα συχνότητας Πρόκειται για ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με τη γεννήτρια να είναι απευθείας συνδεδεμένη στο δίκτυο μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος ~ 99 ~

109 πλήρους κλίμακας. Η γεννήτρια που χρησιμοποιείται μπορεί να είναι επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG), ή σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) ή σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος παρέχει την απαιτούμενη ενεργό ισχύ, εξασφαλίζει την πιο ομαλή σύνδεση της γεννήτριας με το δίκτυο και επιτυγχάνει ανεξάρτητο έλεγχο του συντελεστή ισχύος από την πλευρά της μηχανής και από την πλευρά του δικτύου. Σε μερικές ανεμογεννήτριες πλήρους μεταβλητής ταχύτητας, απουσιάζει το κιβώτιο ταχυτήτων. Ένα πλεονέκτημα αυτής της συνδεσμολογίας, που λέγεται αλλιώς και συνδεσμολογία με DC διασύνδεση, είναι ότι οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς μπορούν να ελέγξουν την άεργο ισχύ και να χρησιμοποιήσουν ενεργές τεχνικές φιλτραρίσματος για να βελτιώσουν την ποιότητα της ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο. Το εύρος των ταχυτήτων είναι από 0 100% της ονομαστικής ταχύτητας, μιας και ο μετατροπέας μπορεί να χειριστεί το σύνολο της ενέργειας. Σ αυτή την περίπτωση εκτός της επαγωγικής γεννήτριας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σύγχρονη γεννήτρια. Η συνήθης επιλογή τότε είναι σύγχρονη μηχανή με μόνιμους μαγνήτες. Η λύση αυτή πολλές φορές συνοδεύεται και από σχεδίαση μηχανής πολλών ζευγών πόλων (π.χ. εκατό) έτσι ώστε να μη χρειάζεται κιβώτιο ταχυτήτων. Τα κύρια πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας είναι: Αυξημένη απομάστευση ισχύος. Ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου προσαρμόζεται και η ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας έτσι ώστε να μεγιστοποιείται η παραγόμενη ισχύς. Μπορεί να επιτραπούν ριπές ανέμου κι έτσι να στρέψουν το ρότορα γρηγορότερα ώστε η περίσσεια ενέργειας να αποθηκεύεται στη μηχανή σαν επιπλέον κινητική ενέργεια μέχρι να επανέλθει σε κανονική κατάσταση. Βελτιωμένη ποιότητας ενέργειας και δυνατότητα ρύθμισης της αέργου ισχύος. Οι συσκευές των ηλεκτρονικών ισχύος με τις οποίες είναι εφοδιασμένες αυτού του τύπου οι ανεμογεννήτριες, μπορούν να ελέγξουν την άεργο ισχύ προκειμένου να βελτιώσουν την ποιότητα της ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο, κάτι το οποίο είναι πολύ χρήσιμο ιδίως σε περιπτώσεις που οι ανεμογεννήτριες είναι συνδεδεμένες σε ένα αδύναμο δίκτυο. Η μεταβλητή ταχύτητα δίνει ένας σαφές πλεονέκτημα σε σχέση με την ετήσια παραγωγή, μιας και είναι δυνατόν να λειτουργεί η μηχανή στη βέλτιστη ταχύτητα περιστροφής σε σχέση με τον άνεμο. Από οικονομικής άποψης αυτό το πλεονέκτημα είναι το πιο σημαντικό, αφού με την πάροδο των χρόνων και την εξέλιξη της τεχνολογίας, οι διατάξεις των ηλεκτρονικών ισχύος κοστίζουν όλο και λιγότερα χρήματα. Μειωμένες μηχανικές καταπονήσεις στον ανεμοκινητήρα που συνεπάγεται μεγάλη διάρκεια ζωής του συστήματος. Τα μειονεκτήματα των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας είναι: Αυξημένη πολυπλοκότητα λόγω των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και του ελέγχου και η αντίστοιχη αύξηση του κόστους. Αυξημένες απώλειες που οφείλονται στην παρουσία των ηλεκτρονικών ισχύος. Δομικά χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών ~ 100 ~

110 Η συνηθισμένη ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιείται σήμερα είναι οριζόντιου άξονα και αποτελείται από την άτρακτο στην οποία είναι τοποθετημένη μια γεννήτρια, ο μηχανισμός μετάδοσης κίνησης (κιβώτιο ταχυτήτων, άξονας υψηλών ταχυτήτων και άξονας υψηλών ταχυτήτων), τρία πτερύγια και έναν πύργο που βρίσκεται πίσω από τα πτερύγια έτσι ώστε ο άνεμος να έρχεται από το εμπρόσθιο μέρος. Τομή της ατράκτου μιας ανεμογεννήτριας Ο άνεμος δεσμεύεται στα πτερύγια και μέσω ενός άξονα μεταφέρεται η κίνηση στο κιβώτιο ταχυτήτων. Από εκεί ένας άλλος άξονας μεταφέρει την κίνηση στη γεννήτρια. Δουλειά του κιβωτίου ταχύτητας είναι να πολλαπλασιάζει την τιμή της ταχύτητας του ανέμου που φτάνει σε αυτό από τα πτερύγια. Στη συνέχεια, η γεννήτρια με τη σειρά της είναι συνδεδεμένη με έναν μετασχηματιστή προκειμένου να δίνεται σε τελικό στάδιο η επιθυμητή τάση στο σημείο σύνδεσης με το εκάστοτε τοπικό δίκτυο. Στη συνέχει αναλύονται τα δομικά μέρη μιας ανεμογεννήτριας. ~ 101 ~

111 Λεπτομερής δομή του εσωτερικού της ανεμογεννήτριας Πύργος (Tower) Είναι κυλινδρικής μορφής κατασκευασμένος από ατσάλι, ή από ατσάλι σε καφασωτή μορφή, σαν πλέγμα και σπανιότερα από σκυρόδεμα και συνήθως αποτελείται από δύο ή τρία συνδεδεμένα τμήματα. Αυτή η δομή του εξυπηρετεί στην αύξηση της αντοχής και την εξοικονόμηση υλικών. Είναι παρόμοιας κατασκευής με τους πύργους που στηρίζουν τα φώτα σε γήπεδα και εθνικούς δρόμους. Η διάμετρος του πύργου αυξάνει όσο πλησιάζουμε τη βάση και η θεμελίωση γίνεται με οπλισμένο σκυρόδεμα πάνω στο οποίο τοποθετείται με βίδες ο πύργος. Επειδή η ταχύτητα του ανέμου αυξάνει με το ύψος, οι ψηλότεροι πύργοι δίνουν τη δυνατότητα στις τουρμπίνες να «αιχμαλωτίσουν» περισσότερη ενέργεια και να παράγουν περισσότερο ηλεκτρισμό. Για παράδειγμα, μια σύγχρονη ανεμογεννήτρια 1.000kW θα έχει ένα πύργο μεταξύ 50 και 80 μέτρων. Μεγάλης σημασίας είναι η γείωση που πρέπει να έχει η μεταλλική κατασκευή της ανεμογεννήτριας. Πρόσβαση στο εσωτερικό της ανεμογεννήτριας επιτρέπεται μέσω του πύργου. Άτρακτος (Nacelle) Η άτρακτος βρίσκεται στην κορυφή του πύργου και περιέχει όλα τα βασικά στοιχεία της ανεμογεννήτριας, όπως το κιβώτιου ταχυτήτων, την ηλεκτρική γεννήτρια, τους άξονες χαμηλής και υψηλής ταχύτητας, τον ελεγκτή και το φρένο. Μερικές άτρακτοι είναι τόσο μεγάλοι, ώστε ακόμη και ένα ελικόπτερο να μπορεί να προσγειωθεί πάνω τους. Πλήμνη (Ηub) Η πλήμνη είναι το μηχανικό εξάρτημα στο οποίο προσαρμόζονται τα πτερύγια. Η πλήμνη συνδέεται με τον άξονα χαμηλών στροφών. Πτερύγια (Blades) ~ 102 ~

112 Τα πτερύγια έχουν αεροδυναμικό σχήμα το οποίο έχει προέλθει από αντίστοιχα πτερύγια αεροπορικών κινητήρων (π.χ. αεροτοµές τύπου NACA) και είναι κατασκευασµένα συνήθως από ελαφρά κράµατα µετάλλων, ενισχυµένο πολυεστέρα, αλλά και από ξύλο σε συνδυασµό µε ειδικές ρητίνες, έτσι ώστε να είναι ανθεκτικά σε μεγάλες καταπονήσεις. Μπορεί να είναι ενιαία ή να διαθέτουν ακροπτερύγια και καλύπτουν ένα µικρό ποσοστό (2% έως 10%) του εµβαδού της περιφέρειας που διαγράφουν. Τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά (αριθμός πτερυγίων, κατανομή πλάτους, επιλογή αεροτομής, συστροφή) προκύπτουν από τη βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής σχεδίασης. Η επιλογή του πλήθους των πτερυγίων σχετίζεται µε την αεροδυναµική φόρτιση των πτερυγίων, µε το βαθµό απόδοσής τους, µε το κόστος κατασκευής της ανεµογεννήτριας καθώς και µε θέµατα αντοχής και συντονισµού λόγω ταλαντώσεων (προβλήµατα ιδιοσυχνοτήτων). Επιπλέον, θέµατα που συνεκτιµώνται είναι η κυκλική µεταβολή της ροπής της µηχανής λόγω της καθ ύψος µεταβολής της ταχύτητας του ανέµου, καθώς και τα θέµατα ζυγοστάθµισης των πτερυγίων. Για τον περιορισµό της κυκλικής µεταβολής του φορτίου των πτερυγίων δίνεται µια µικρή κλίση (έως και 10 ο ) του άξονα περιστροφής ως προς το οριζόντιο. Τέλος, για λόγους περιορισµού των καµπτικών τάσεων πάνω στα πτερύγια, επιβάλλεται συνήθως µια µικρή κωνικότητα αυτών που δεν ξεπερνά τις 10 ο. Επιπλέον, για λόγους ασφάλειας της ανεµογεννήτριας, τα πτερύγια είναι συνήθως εφοδιασµένα µε συστήµατα αεροδυναµικής πέδησης (αερόφρενα), τα οποία διακόπτουν τη λειτουργία της µηχανής σε έκτακτες περιπτώσεις. Σε ειδικές κατασκευές εκτός από την παρουσία των αερόφρενων (π.χ. επίπεδες πλάκες κάθετες στην επιφάνεια του πτερυγίου) χρησιµοποιούνται και µικρά αλεξίπτωτα, που απελευθερώνονται φυγοκεντρικά µετά από κάποιο όριο στροφών και επιβραδύνουν την ανεµογεννήτρια. Για παράδειγμα, σε μια μοντέρνα ανεμογεννήτρια 1.000kW κάθε πτερύγιο έχει μήκος 27m και είναι σχεδιασμένο περίπου όπως ένα φτερό αεροπλάνου. Τα πτερύγια είναι προσδεμένα στην πλήμνη, είτε σταθερά είτε με δυνατότητα περιστροφής γύρω από το διαμήκη άξονά τους, ώστε να μεταβάλλεται το βήμα πτερύγωσης. Οι περισσότερες ανεμογεννήτριες διαθέτουν δύο ή τρία πτερύγια. Είναι αυτά που με την περιστροφή τους, «συλλαμβάνουν» τον αέρα και μεταφέρουν την ισχύ του στην κεφαλή του ρότορα. Τα πτερύγια σε μεγάλες ανεμογεννήτριες περιστρέφονται κατά μήκος του άξονά τους και δέχονται τον άνεμο κατά μήκος τους υπό διαφορετικές γωνίες. Η γωνία πρόσπτωσης αυξάνεται προς τη βάση του πτερυγίου. Οι πολύ μεγάλες γωνίες δεν έχουν το επιθυμητό αποτέλεσμα. Προκειμένου να υπάρχει ενιαία γωνία πρόσπτωσης κατά μήκος του πτερυγίου, το πτερύγιο έχει μορφή περιστροφική. Ανατομία ενός πτερυγίου ανεμογεννήτριας, όπου διακρίνονται η πλήμνη (hub), η βάση των πτερυγίων (blade root), το μπροστινό και πίσω μέρος του πτερυγίου (leading/trailing edge) και το ακροπτερύγιο (blade tip). ~ 103 ~

113 Ανεμόμετρο & Ανεμοδείκτης (Anemometer & Wind Vane) Χρησιμοποιούνται για να μετρούν την ένταση και τη διεύθυνση του ανέμου και μεταφέρουν τα δεδομένα των μετρήσεών τους στον ελεγκτή. Τα ηλεκτρικά σήματα του ανεμομέτρου χρησιμοποιούνται από τον ηλεκτρονικό ελεγκτή της ανεμογεννήτρια για να αρχίσει τη λειτουργία της όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπεράσει μια ελάχιστη τιμή. Ο υπολογιστής σταματά τη λειτουργία της ανεμογεννήτριας αυτόματα αν η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί ένα ανώτατο όριο προκειμένου να προστατεύσει την ανεμογεννήτρια και το περιβάλλον αυτής. Τα σήματα του ανεμοδείκτη που αποτελεί ένα μετεωρολογικό όργανο, χρησιμοποιούνται από τον ηλεκτρονικό ελεγκτή της ανεμογεννήτριας για να προσανατολιστεί η ανεμογεννήτρια σωστά απέναντι στον άνεμο, μέσω του μηχανισμού για την αποφυγή εκτροπής. Κιβώτιο ταχυτήτων (Gear box) Το κιβώτιο ταχυτήτων ενισχύει την ενεργειακή έξοδο του δρομέα. Είναι τοποθετημένο ακριβώς μεταξύ του δρομέα και της γεννήτριας και τα γρανάζια συνδέουν τον άξονα χαμηλών στροφών που βρίσκεται στα αριστερά, με τον άξονα υψηλών στροφών που βρίσκεται στα δεξιά αυξάνοντας τις ταχύτητες περιστροφής κατά 50 περίπου φορές, από 30 έως 60rpm (στροφές ανά λεπτό) σε έως 1.800rpm, που είναι η ταχύτητα περιστροφής που οι περισσότερες ανεμογεννήτριες απαιτούν ώστε να παράγουν ηλεκτρισμό. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι ένα ακριβό και βαρύ εξάρτημα της ανεμογεννήτριας, γι αυτό και γίνονται προσπάθειες για την κατασκευή ανεμογεννητριών «άμεσης ώθησης» (direct drive), οι οποίες λειτουργούν σε χαμηλότερες ταχύτητες περιστροφής και δεν χρειάζονται κιβώτιο ταχυτήτων. Άξονας υψηλών ταχυτήτων (High speed shaft) Περιστρέφεται με περίπου έως 1.800rpm (στροφές ανά λεπτό) και θέτει σε κίνηση την γεννήτρια. Ο άξονας υψηλής ταχύτητας είναι εξοπλισμένος με το δισκόφρενο το οποίο σε περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης ή περιπτώσεις που το αεροδυναμικό φρένο υποστεί βλάβη ή η ανεμογεννήτρια επισκευάζεται, τίθεται σε λειτουργία. Άξονας χαμηλών ταχυτήτων (Low speed shaft) Συνδέει την πλήμνη με το κιβώτιο ταχυτήτων και περιέχει σωλήνες για το υδραυλικό σύστημα ώστε να μπορεί να λειτουργήσει το αεροδυναμικό φρένο. Ο ρότορας στρέφει τον άξονα χαμηλών ταχυτήτων με ταχύτητες περίπου 30 έως 60 στροφές ανά λεπτό (rpm). Οδηγός για την αποφυγή εκτροπής (Yaw drive) Χρησιμοποιείται για να στρέφι τις ανεμογεννήτριες προς τον άνεμο καθώς αυτός μεταβάλλεται. Οι ανεμογεννήτριες που λειτουργούν με πνοή ανέμου προς τα πάνω (upwind), είναι στραμμένες προς τον άνεμο. Ο οδηγός για την αποφυγή εκτροπής χρησιμοποιείται για να εξασφαλίσει ότι ο δρομέας θα είναι στραμμένος προς τον άνεμο, καθώς ο άνεμος αλλάζει κατεύθυνση. Οι ανεμογεννήτριες που είναι σχεδιασμένες για να λειτουργούν με πνοή ανέμου προς τα κάτω (downwind), δε χρειάζονται αυτό τον οδηγό για την αποφυγή εκτροπής, διότι ο άνεμος φυσά και στρέφει το δρομέα προς τα κάτω. Κινητήρας του οδηγού για την αποφυγή εκτροπής (Yaw motor) Είναι ο κινητήρας που δίνει ενέργεια στον οδηγό για την αποφυγή εκτροπών. Δρομέας (Rotor) Ο δρομέας αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα τμήματα της ανεμογεννήτριας. Αποτελείται από τα κινούμενα τμήματα της ανεμογεννήτριας την πλήμνη, τα πτερύγια, τον άξονα χαμηλών ταχυτήτων, των άξονα υψηλών ταχυτήτων ~ 104 ~

114 και το κιβώτιο ταχυτήτων. Ο δρομέας περιστρέφει τη γεννήτρια, και μέσω αυτού μεταφέρεται η μηχανική ισχύς ώστε να μετατραπεί σε ηλεκτρική μέσω της επαγωγής μέσα στη γεννήτρια. Είναι σχεδιασμένος αεροδυναμικά, για να συλλάβει τη μέγιστη περιοχή επιφάνειας του αέρα, προκειμένου να περιστρέφεται όσο το δυνατόν πιο εργονομικά. Η κατασκευή του δρομέα περιλαμβάνει το 20% περίπου του συνολικού κόστους της ανεμογεννήτριας, συμπεριλαμβανομένου των πτερυγίων, για τη μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε χαμηλής ταχύτητας περιστροφική ενέργεια. Γεννήτρια (Generator) Είναι μια σύγχρονη ή ασύγχρονη γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια από την περιστροφή του δρομέα. Συνήθως προτιμώνται οι ασύγχρονες γεννήτριες λόγω της απλότητας της κατασκευής τους, αν και οι σύγχρονες έχουν καλύτερη συμπεριφορά σε αδύνατα δίκτυα. Η κατασκευή της περιλαμβάνει το 34% περίπου του συνολικού κόστους της ανεμογεννήτριας. Φρένο (Brake) Είναι ένα δισκόφρενο, το οποίο μπορεί να λειτουργεί μηχανικά, ηλεκτρικά ή υδραυλικά και σταματά το δρομέα σε περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης. Μηχανισμός Περιστροφής Ο μηχανισμός περιστροφής χρησιμοποιεί ηλεκτρικές μηχανές για να στρέφει την άτρακτο απέναντι στον άνεμο. Ελέγχεται από τον ελεγκτή ο οποίος αντιλαμβάνεται τη διεύθυνση του ανέμου χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του ανεμοδείκτη. Ελεγκτής (Controller) Ξεκινά τη μηχανή σε ταχύτητες ανέμου περίπου 4m/s 7m/s και κλείνει τη μηχανή περίπου στα 25m/s. Οι ανεμογεννήτριες δε μπορούν να δουλεύουν σε ταχύτητες ανέμου πάνω απ τα 25m/s γιατί οι γεννήτριές τους μπορούν να υπερθερμανθούν ή/και τα πτερύγιά τους να σπάσουν. Ο ελεγκτής περιέχει ακόμα έναν υπολογιστή που παρακολουθεί διαρκώς την κατάσταση της ανεμογεννήτριας και ελέγχει το μηχανισμό περιστροφής. Σε κάθε περίπτωση επιπλοκής, π.χ. υπερθέρμανση του κιβωτίου ταχυτήτων ή της γεννήτριας, σταματά αυτόματα την ανεμογεννήτρια και καλεί τον υπολογιστή του ελεγκτή της ανεμογεννήτριας. Στροφή πτερυγίων (Pitch) Τα πτερύγια έχουν τη δυνατότητα να στρίβουν γύρω από τον διαμήκη άξονά τους, ανεξάρτητα από τον άνεμο, ώστε να μειώνουν τα αεροδυναμικά φορτία πάνω στην πτερύγωση στις μεγάλες ταχύτητες του ανέμου και να τα μειώνουν στις μικρές ταχύτητες. Ελέγχουν δηλαδή την ταχύτητα του δρομέα και τον εμποδίζουν από το να στρίβει σε ανέμους οι οποίοι είναι υπερβολικά ισχυροί ή υπερβολικά ασθενείς για να παράγουν ηλεκτρισμό. Τέλος, σημαντικό δομικό στοιχείο της ανεμογεννήτριας, αποτελεί ο μετασχηματιστής ο οποίος προσαρμόζει κατάλληλα τη χαμηλή τάση της ανεμογεννήτριας, σε μέση τάση, προκειμένου να μπορεί να μεταφερθεί η ηλεκτρική ενέργεια από το εκάστοτε δίκτυο. Συντελεστής ισχύος C p Όπως αναφέρθηκε και στην περιγραφή της ισχύος του ανέμου, μόνο ένα κλάσμα της διαθέσιμης ισχύος του ανέμου μπορεί να δεσμευτεί από έναν ανεμοκινητήρα, διότι αφενός ο άνεμος απομακρύνεται από τον ανεμοκινητήρα με κάποια ταχύτητα, αφετέρου τα πτερύγια του ανεμοκινητήρα προκαλούν εκτροπή μέρους του αέρα το οποίο παρακάμπτει τον ανεμοκινητήρα χωρίς να τον διαπεράσει. Έτσι ορίζεται ο συντελεστής ισχύος ενός ανεμοκινητήρα C p, ο οποίος δείχνει το μέρος της κινητικής ενέργειας που μετατρέπεται σε μηχανική, ως εξής: ~ 105 ~

115 M Cp P Όπου P M είναι η μηχανική ισχύς που παράγεται από την ανεμογεννήτρια Ρ αν είναι η στιγμιαία ισχύς του ανέμου P Μέγιστη θεωρητική τιμή του συντελεστή ισχύος C p Σύμφωνα με τη θεωρία του δίσκου ενέργειας ο μηχανισμός δέσμευσης της κινητικής ενέργειας του ανέμου από το δρομέα του ανεμοκινητήρα θεωρείται ιδανικός. Ο ρότορας θεωρείται ως δίσκος που ενεργεί πάνω στον άνεμο, μειώνοντας την στατική του πίεση. Σωλήνας ροής του ανεμοκινητήρα που ορίζεται από τη διάμετρο του δρομέα. Ο αέρας πολύ μακριά πριν από το δίσκο έχει κάποια στατική πίεση P 1, διάμετρο d 1 και πλησιάζει το δίσκο με ταχύτητα v 1. Ο δίσκος αφαιρεί ενέργεια από τον αέρα και επομένως πολύ μακριά μετά από το δίσκο όπου η πίεση του αέρα θα ~ 106 ~

116 έχει αποκατασταθεί στην πίεση του περιβάλλοντος (στατική πίεση), η ταχύτητα του ανέμου v 4 θα είναι μικρότερη από την v 1. Η ταχύτητα του ανέμου μειώνεται ενώ η πίεση αυξάνεται, προκαλώντας έτσι μεγέθυνση της διαμέτρου σε d 2. Η πίεση του αέρα θα γίνει μέγιστη λίγο μπροστά από την τουρμπίνα και μετά από αυτήν θα πέσει κάτω από την ατμοσφαιρική πίεση. Μέρος της κινητικής ενέργειας του αέρα μετατρέπεται σε δυναμική, ώστε να προκαλέσει αύξηση της πίεσης. Μεγαλύτερο ποσοστό της κινητικής ενέργειας θα μετατραπεί σε δυναμική μετά την τουρμπίνα. Προκαλείται βέβαια περαιτέρω μείωση της ταχύτητας του αέρα μέχρι τη στιγμή που η πίεση θα γίνει και πάλι ίση με την ατμοσφαιρική. Για να υπάρχει διατήρηση της μάζας μέσα στο σωλήνα ροής θα πρέπει η διάμετρος του σωλήνα να μεγαλώνει μετά το δρομέα. Η στοιχειώδης αέρια μάζα ανά μονάδα χρόνου που ρέει μέσα στο σωλήνα ροής διατηρείται σταθερή και δίνεται από τη σχέση: dm dt 2 Rv2 [kg/s] Όπου ρ είναι η πυκνότητα του ανέμου R είναι η ακτίνα του δρομέα v 2 είναι η ταχύτητα του ανέμου διαμέσου του δίσκου στη θέση 2 Ο άνεμος μετά τη διέλευσή του από το δίσκο έχει μικρότερη ενέργεια από αυτή που είχε πριν το δίσκο. Η διαφορά της κινητικής ενέργειας του ανέμου πριν και μετά από το δίσκο δεσμεύεται από τον ιδανικό δρομέα του ανεμοκινητήρα και ισούται με: 1 2 Η ισχύς της ενέργειας αυτής είναι: 2 2 WA / K m v1 v4 [J] dwa / K 1 dm PM v1 v4 R v2 v1 v4 [W] dt 2 dt 2 Όμως η ενέργεια W A/K ισούται και με το γινόμενο της ορμής της αέριας μάζας επί την ταχύτητά της, δηλαδή WA / K m v1 v4 v2 [J] Από τις παραπάνω σχέσεις για το W A/K προκύπτει ότι: Οπότε με αντικατάσταση έχουμε: 1 v2 v1 v4 [m/s] v 4 v 4 v 4 PM R v1 v4 v1 v4 R v v1 v1 v 1 Επομένως καταλήγουμε τελικά ότι για το C p ισχύει: [W] ~ 107 ~

117 C p 2 3 v 4 v 4 v 4 P 1 1 P 2 v1 v1 v 1 Για την εύρεση του μέγιστου συντελεστή C p παίρνουμε την παράγωγο της v4 τελευταίας σχέσης ως προς,ίση προς μηδέν, οπότε προκύπτει: v 1 dcp v v v dt v v v Και με αντικατάσταση καταλήγουμε στο θεωρητικό μέγιστο του συντελεστή ισχύος C pmax : Cp max 2 0,593 Η τιμή αυτή είναι η μέγιστη θεωρητική τιμή του συντελεστή ισχύος C p και ονομάζεται όριο του Betz. Στην πράξη όμως, λόγω μηχανικών τριβών, στροβίλων και αεροδυναμικών ατελειών, η τιμή του C pmax δεν ξεπερνά το 0,5. Σημαίνει ότι από την κινητική ενέργεια του ανέμου δεν μπορούμε να δεσμεύσουμε σε μηχανική μέσω μιας ανεμογεννήτριας ποσοστό μεγαλύτερο από το 59.3%, και όταν αυτό συμβεί η ταχύτητα του αέρα μετά την τουρμπίνα θα πέσει σε μία ελάχιστη τιμή η οποία είναι ίση με το ένα τρίτο της αρχικής. Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C P όμως δεν είναι σταθερός και εξαρτάται από την ταχύτητα των ακροπτερυγίων λ και τη γωνία βήματος του πτερυγίου β και για κάθε ταχύτητα του ανέμου πρέπει η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα να παίρνει τιμές που να βελτιστοποιούν τα λ και β, έτσι ώστε να επιταγχύνεται η μέγιστη παραγωγή ισχύος από την ανεμογεννήτρια. Για δεδομένες τιμές των λ και β υπολογίζεται η τιμή του C p (λ, β) χρησιμοποιώντας τον παρακάτω τύπο: Όπου 116 i CP(, ) 0,22 0,4 5 i 1 1 0, 035 i 3 0, ,5 e Με βάση αυτές τις σχέσεις είναι δυνατόν να σχεδιάσουμε το διάγραμμα που μας δίνει το συντελεστή ισχύος C P συναρτήσει των λ και β (μετρούμενο σε μοίρες). 1 3 ~ 108 ~

118 Χαρακτηριστικές C P (λ, β) για διάφορες τιμές της γωνίας βήματος β. Απομονώνοντας ένα τμήμα της χαρακτηριστικής, προκύπτει το ακόλουθο διάγραμμα. Διάγραμμα του συντελεστή ισχύος C P συναρτήσει των λ και β. Διαπιστώνουμε ότι η μέγιστη τιμή του C P αντιστοιχεί στην τιμή β = 0. Η τιμή αυτή του β μας δίνει τη βέλτιστη τιμή για τα C P, λ, λ i. C P-opt = 0,4382 λ i = 8,12 λ opt = 6,325 ~ 109 ~

119 Άντωση και αντίσταση Όταν άνεμος ταχύτητας v προσπίπτει σε μια επιφάνεια εμβαδού Α που σχηματίζει γωνία α (γωνία προσβολής) με την ταχύτητα του ανέμου, ασκεί στην επιφάνεια μια δύναμη F. H δύναμη αυτή αναλύεται σε δύο συνιστώσες: την F L που είναι κάθετη στην ταχύτητα v και ονομάζεται άντωση και την F D που είναι παράλληλη προς την ταχύτητα v και ονομάζεται αντίσταση. F FL FD 2 2 Διάγραμμα των δυνάμεων που εμφανίζονται κατά την προσβολή μιας επιφάνειας από τον άνεμο. Τα μέτρα των δυνάμεων αυτών δίνονται από τις σχέσεις: 1 FL V C a L και FD V CDa 1 [N] 2 Όπου ρ είναι η πυκνότητα του αέρα C L (α) και C D (α) είναι συντελεστές που προσδιορίζονται πειραματικά και εξαρτώνται από τη γωνία α. Η παραπάνω ανάλυση βρίσκει εφαρμογή και στα πτερύγια των ανεμοκινητήρων. Όπως φαίνεται και από το παραπάνω διάγραμμα, υπάρχει συσχέτιση των F L και F D ως συνιστωσών της F. Οι ανεμοκινητήρες που αξιοποιούν ως κινητήρια δύναμη την αντίσταση F D λειτουργούν με χαμηλή ταχύτητα και μεγάλη ροπή και χρησιμοποιούνται συνήθως για άντληση νερού και άλεση δημητριακών. Αντίθετα, για ηλεκτροπαραγωγή είναι καταλληλότεροι οι ανεμοκινητήρες που εκμεταλλέυονται την άντωση F L γιατί λειτουργούν με υψηλή ταχύτητα και μικρή ροπή. Αεροδυναμική των πτερυγίων Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως η ροή του αέρα γύρω από ένα πτερύγιο, παράγει δύο δυνάμεις. Μία δύναμη που λέγεται άντωση F L (Lift) και είναι κάθετη στη ροή και μία άλλη που λέγεται αντίσταση ή οπισθέλκουσα F D (Draft) και είναι παράλληλη στην κατεύθυνση του ανέμου. ~ 110 ~

120 Άντωση και αντίσταση ή οπισθέλκουσα δύναμη σε ένα πτερύγιο. Η ύπαρξη της άντωσης εξαρτάται από την ομοιόμορφη ροή γύρω από το πτερύγιο, με αποτέλεσμα ο αέρας να ρέει ομαλά και από τις δύο πλευρές της. Εάν η ροή είναι τυρβώδης, τότε θα δημιουργηθεί μικρή ή μηδενική άντωση. Ο αέρας που ρέει πάνω από την κορυφή του πτερυγίου επιταχύνεται, γιατί πρέπει να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση και αυτή η αύξηση της ταχύτητας προκαλεί κάποια μικρή μείωση της πίεσης. Αυτή η διαφορά της πίεσης μεταξύ των δύο πλευρών του πτερυγίου προκαλεί την άντωση, δύναμη κάθετη στη ροή κατεύθυνσης του ανέμου. Η κίνηση του ανέμου προκαλεί επίσης την οπισθέλκουσα δύναμη κατά την διεύθυνση του ανέμου. Αυτός είναι ένας όρος απωλειών και ελαχιστοποιείται, όσο είναι δυνατόν, σε υψηλής απόδοσης ανεμογεννήτριες. Οι δύο αυτές δυνάμεις είναι ανάλογες της πυκνότητας του αέρα, της επιφάνειας της αεροτομής και του τετραγώνου της ταχύτητας του ανέμου. Θεωρία πτερύγωσης Για διάφορους υπολογισμούς αεροδυναμικής σε πτερύγια, και ιδιαίτερα του συντελεστή ισχύος C P, χρησιμοποιείται η θεωρία πτερύγωσης. Η θεωρία πτερύγωσης βασίζεται στο διαχωρισμό του πτερυγίου σε πολλές στενές λωρίδες και τον υπολογισμό στοιχειωδών μεγεθών σε αυτές. Έπειτα μέσω ολοκλήρωσης σε όλο το μήκος πτερυγίου προκύπτει μια αναλυτική σχέση για το συντελεστή ισχύος C P. Έστω ένας ανεμοκινητήρας που στρέφεται με γωνιακή ταχύτητα ω και του οποίου τα πτερύγια σχηματίζουν γωνία θ με το επίπεδο περιστροφής. Σε μια τυχαία στιγμιαία θέση, θεωρούμε την αεροτομή ενός πτερυγίου με ένα επίπεδο παράλληλο στον άξονα περιστροφής του. ~ 111 ~

121 Αεροτομή ενός πτερυγίου σε τυχαία θέση. Όπου v είναι η ταχύτητα του ανέμου v B = ω r R είναι η γραμμική ταχύτητα της πτέρυγας λόγω περιστροφής ω r είναι η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής R είναι το μήκος του πτερυγίου v r = v v B είναι η σχετική ταχύτητα του ανέμου την οποία βλέπει το πτερύγιο και είναι το διανυσματικό άθροισμα των v και v B θ είναι η γωνία του πτερυγίου με το επίπεδο περιστροφής α είναι η γωνία προσβολής C είναι η χορδή, το πλάτος του πτερυγίου φ = tan -1 (v/v B ) Σε ένα στοιχειώδες τμήμα του πτερυγίου πάχους dr ασκούνται μια στοιχειώδης δύναμη df L (άντωση) και μια δύναμη df D (αντίσταση ή οπισθέλκουσα). Η συνισταμένη αυτών των δυνάμεων df, αναλύεται σε δύο νέες συνιστώσες την dt D, που είναι η προωστική δύναμη και η αιτία περιστροφής των πτερυγίων και την dt A. Η προωστική δύναμη dt D που είναι η αιτία περιστροφής των πτερυγίων ισούται με: dt df sin df D L D ~ 112 ~ cos Αντικαθιστώντας τις δυνάμεις F L και F D με τις αναλυτικές του σχέσεις που προέκυψαν παραπάνω, καταλήγουμε στην εξής σχέση: 1 2 dtd vr CLasin CD acos Cdr 2 Από το διανυσματικό τρίγωνο των ταχυτήτων έχουμε: 2 v v v v R r B r R vcot r Η ισχύς που παράγεται είναι dp = dt D *v B, οπότε προκύπτει η σχέση:

122 1 2 L D 3 dp v cot 1 cot C a sin C a cos Cdr Ολοκληρώνοντας την τελευταία σχέση και θεωρώντας ανεμογεννήτρια με τρία πτερύγια P M =3P προκύπτει τελικά μια αναλυτική σχέση για τον συντελεστή ισχύος C p : R 3 C cot 1 cot C a sin C a cos Cdr P L D 2 R 0 Παρατηρούμε ότι ο συντελεστής ισχύος C P εξαρτάται άμεσα όχι μόνο από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των πτερυγίων (μήκος R, χορδή C και συντελεστές C L, C D ) αλλά και από τη συνεφαπτόμενη της γωνίας φ. Για συγκεκριμένη ανεμογεννήτρια, τα μεγέθη R, C, C L και C D είναι σταθερά, επομένως ο συντελεστής ισχύος C P είναι συνάρτηση της συνεφαπτόμενης της γωνίας φ για την οποία ισχύει: Λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου Ο λόγος rr cot v rr ονομάζεται λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου (tip speed v ratio TSR) και είναι ο λόγος της γραμμικής ταχύτητας λόγω περιστροφής των ακροπτεγυρίων προς την ταχύτητα του ανέμου, όπου ω r είναι η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής σε rad/sec και R το μήκος του πτερυγίου σε μέτρα. Εφόσον ο συντελεστής λ αποτελεί λόγο ταχυτήτων είναι αδιάστατο μέγεθος. ~ 113 ~

123 Διάγραμμα του συντελεστή ισχύος C P συναρτήσει του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ. Παρατηρούμε ότι ο C P έχει μέγιστη τιμή για μια συγκεκριμένη τιμή του λ. Η τιμή αυτή του λ είναι η βέλτιστη τιμή. Ο συντελεστής C P και η ταχύτητα του ανέμου Το όριο του Betz μας λέει ότι λιγότερο από τα 16/27 (ή 59%) της κινητικής ενέργειας του ανέμου μπορούν να μετατραπούν σε μηχανική ενέργεια μέσω της ανεμογεννήτριας. Ο συντελεστής ισχύος μας δείχνει πόσο αποτελεσματικά μια ανεμογεννήτρια μετατρέπει την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική. ~ 114 ~

124 Διάγραμμα του συντελεστή ισχύος C P συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου. Η μέση μηχανική απόδοση είναι περίπου λίγο πάνω από το 20%, ωστόσο η απόδοση διαφέρει πολύ και σχετίζεται με την ταχύτητα του ανέμου και παίρνει μεγαλύτερη τιμή, για τη συγκεκριμένη περίπτωση κοντά στο 44%, σε μια ταχύτητα ανέμου περίπου στα 9m/s. Στις χαμηλές ταχύτητες η απόδοση δεν είναι ιδιαίτερα σημαντική μιας και δεν υπάρχουν διαθέσιμα τόσο μεγάλα μεγέθη ενέργειας για να δεσμευτούν. Σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου, η ανεμογεννήτρια θα πρέπει να μην παραλάβει την παραπανίσια ποσότητα ενέργειας πέρα από την προκαθορισμένη (ονομαστική) και αυτό καθορίζει τα μηχανικά φορτία στην κατασκευή. Οπότε, η έννοια της απόδοσης έχει σημασία στις περιοχές όπου η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να δώσει τα μέγιστα ποσά ενέργειας. Γενικά, ανεμογεννήτριες με μεγάλη απόδοση τεχνικά δεν αποτελούν αυτοσκοπό. Αυτό που έχει μεγαλύτερη σημασία είναι το κόστος της παραγόμενης ενέργειας από τον άνεμο, κατά τη διάρκεια ζωής τους (υπολογίζεται σε μια 20ετία περίπου). Από τη στιγμή που το «καύσιμο», ο άνεμος δηλαδή είναι δωρεάν, δεν υπάρχει λόγος για οικονομία. Από την άλλη, οι καλύτερες ανεμογεννήτριες δεν είναι αυτές που παρουσιάζουν τα μεγαλύτερα ποσά ενέργειας στη διάρκεια ενός χρόνου, αλλά αυτές που παρουσιάζουν ένα βέλτιστο συντελεστή ανάμεσα στην παραγόμενη ενέργεια και στο κόστος εγκατάστασης, λειτουργίας και συντήρησης. Μέγιστη παραγόμενη ενέργεια Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C P εξαρτάται από την ταχύτητα ακροπτερυγίου λ, μέσω της σχέσης: 116 i CP(, ) 0,22 0,4 5 i ~ 115 ~ 12,5 e

125 Ο βέλτιστος αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C P-opt, αντιστοιχεί σε μια βέλτιστη ταχύτητα ακροπτερυγίου λ opt, C P-opt = 0,4382, λ opt = 6,325, το οποίο μπορεί να ορίσει μια βέλτιστη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής ω r-opt, η οποία θα εξαρτάται μόνο από την ταχύτητα του ανέμου από τη σχέση: opt r _ opt v [rad/s] R Η σχέση για τη μηχανική ενέργεια που παράγεται από τον άνεμο δίνεται από τον τύπο: P M 1 CPR v 2 Η μηχανική ενέργεια που δεσμεύεται από στρεφόμενη μηχανή δίνεται από τη σχέση: PM TMr [W] Οπότε προκύπτει ότι η ροπή θα είναι: Όπου CT( ) R v [N.m/rad] C T Επομένως, ορίζεται ένα Τ Μ-opt, το οποίο εξαρτάται μόνο από την ταχύτητα του ανέμου: C P 1 opt CT( opt) R v 2 CP opt CT( opt) opt 1 CP opt 5 2 R 3 2 opt 3 2 opt r opt Άρα καταλήγουμε στο συμπέρασμα πως για να επιτευχθεί η P M-max θα πρέπει να έχουμε λειτουργία με το βέλτιστο ω r-opt. Αιολικά Πάρκα Η πυκνότητα της αιολικής ενέργειας είναι μικρή με αποτέλεσμα για να παραχθεί μια αξιόλογη ποσότητα ενέργειας, συγκρίσιμη με αυτή των συμβατικών σταθμών, να απαιτούνται πολλές ανεμογεννήτριες. Προκειμένου λοιπόν να αυξηθεί η παραγόμενη ενέργεια και να αξιοποιείται όσο το δυνατόν περισσότερο μια περιοχή με καλά ανεμολογικά χαρακτηριστικά, σε συνδυασμό με την επιδίωξη της ελαχιστοποίησης του κόστους εγκατάστασης και λειτουργίας, οι ανεμογεννήτριες τοποθετούνται μαζί σαν σύνολο, σε συστοιχίες και αποτελούν ένα αιολικό πάρκο. Αιολικό πάρκο είναι μία συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, οι οποίες εγκαθίστανται και λειτουργούν σε μία περιοχή με υψηλό αιολικό δυναμικό και ~ 116 ~

126 διοχετεύουν το σύνολο της παραγωγής τους στο ηλεκτρικό σύστημα. Κάθε ανεμογεννήτρια είναι συνδεδεμένη σε ένα εσωτερικό δίκτυο χαμηλής ή μέσης τάσης το οποίο συνδέεται με το διασυνδεδεμένο ηλεκτρικό δίκτυο μέσω ενός μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης. Υπάρχει βέβαια και η δυνατότητα οι ανεμογεννήτριες να λειτουργούν αυτόνομα, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε περιοχές που δεν ηλεκτροδοτούνται ή για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας για χρήση σε αντλιοστάσια. Τα αιολικά πάρκα, ανάλογα με τον τόπο που εγκαθίστανται διακρίνονται σε: Χερσαία (onshore) Πάρκα που βρίσκονται κοντά στην ακτή (nearshore) Υπεράκτια (offshore) Διατάξεις αιολικών πάρκων Κάθε αιολικό πάρκο αποτελείται από διάφορα στοιχεία όπως τις ανεμογεννήτριες, το τοπικό δίκτυο των ανεμογεννητριών, ένα σημείο σύζευξης όλων των ανεμογεννητριών, ένα σύστημα μεταφοράς και ένα σημείο σύνδεσης με το δίκτυο. Το τοπικό δίκτυο των ανεμογεννητριών συνδέει τις ανεμογεννήτριες στο σημείο σύζευξης όλων των ανεμογεννητριών. Οι ανεμογεννήτριες συνδέονται ακτινικά. Στο σημείο σύζευξης η τάση αυξάνεται σε μία κατάλληλη τιμή για τη μεταφορά. Τότε η ενέργεια μεταφέρεται μέσω του συστήματος μεταφοράς στο σημείο σύνδεσης με το δίκτυο. Στο σημείο διασύνδεσης γίνεται ρύθμιση των επιπέδων της τάσης, της συχνότητας και της αέργου ισχύος με βάση της απαιτήσεις του δικτύου. Διάγραμμα της διάταξης των αιολικών πάρκων. Η καθημερινή λειτουργία ενός αιολικού πάρκου παρακολουθείται και ελέγχεται με τη χρήση ενός συστήματος εποπτικού ελέγχου και συλλογής δεδομένων (SCADA). Το σύστημα αυτό διασυνδέει όλα τα συστατικά μέρη (δηλ. ανεμογεννήτριες, μετεωρολογικούς σταθμούς και υποσταθμούς) του αιολικού πάρκου σε έναν κεντρικό ηλεκτρονικό υπολογιστή, που παρέχει τη δυνατότητα στο χειριστή να παρακολουθεί και να ελέγχει τη λειτουργία του αιολικού πάρκου. Το σύστημα παρέχει και αποθηκεύει πληροφορίες σχετικά με τη λειτουργία του αιολικού πάρκου και έτσι μπορούν να εντοπιστούν αστοχίες ή προβλήματα λειτουργίας συγκεκριμένων ανεμογεννητριών. ~ 117 ~

127 Χερσαία αιολικά πάρκα Χερσαία αιολικά πάρκα, ονομάζονται αυτά που κατασκευάζονται στις κορυφογραμμές περιοχών με μεγάλο σχετικά υψόμετρο, τουλάχιστον τρία χιλιόμετρα προς το εσωτερικό από την πλησιέστερη ακτογραμμή. Αυτό συμβαίνει για την εκμετάλλευση της λεγόμενης τοπογραφικής επιτάχυνσης, την επιτάχυνση δηλαδή του ανέμου καθώς διασχίζει μια κορυφογραμμή. Η αύξηση της ταχύτητας του ανέμου, οδηγεί και σε αύξηση της παραγόμενης ενέργειας. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στην ακριβή τοποθέτηση των ανεμογεννητριών, η οποία γίνεται μετά από αναλυτική παρακολούθηση των τοπικών ανέμων για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα πριν την εγκατάσταση. Αιολικό πάρκο εγκατεστημένο σε κορυφογραμμές. Αιολικά πάρκα κοντά στην ακτή Είναι τα πάρκα που βρίσκονται στην ξηρά, εντός της ζώνης των τριών χιλιομέτρων από την ακτογραμμή ή στη θάλασσα εντός της ζώνης των δέκα χιλιομέτρων από την ακτογραμμή. Αυτές οι τοποθεσίες είναι αποδοτικές εγκατάσταση, λόγω του ανέμου που δημιουργείται από τη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ θάλασσας και ξηράς καθημερινά. ~ 118 ~

128 Αιολικό πάρκο που βρίσκεται κοντά στην ακτή στην Ολλανδία. Διακρίνονται τόσο οι ανεμογεννήτριες που είναι εγκατεστημένες στην ξηρά όσο και αυτές που βρίσκονται στη θάλασσα. Υπεράκτια αιολικά πάρκα Είναι εγκατεστημένα σε θαλάσσιες περιοχές πέρα των δέκα χιλιομέτρων από την ακτή. Στη θάλασσα σπάνια υπάρχουν περίοδοι απόλυτης ηρεμίας του ανέμου και αν υπάρξουν διαρκούν πολύ λίγο, γεγονός που κάνει τα υπεράκτια αιολικά πάρκα να έχουν μεγαλύτερη απόδοση από αυτά που εγκαθίστανται στη στεριά. Το αιολικό δυναμικό ακόμα και στα ρηχά νερά (5m με 15m βάθος) γύρω απ όλη την Ευρώπη θα μπορούσε θεωρητικά να καλύψει την απαιτούμενη ηλεκτρική ισχύ σε όλη την Ευρώπη και μάλιστα με πολλαπλάσια ενέργεια από αυτή που απαιτείται. Ένας από τους βασικούς λόγους για τον οποίο άρχισε να αναπτύσσεται η ιδέα των αιολικών πάρκων στη θάλασσα, είναι το γεγονός ότι δεν υπάρχουν πολλά κατάλληλα μέρη στη στεριά για τη δημιουργία αιολικών πάρκων. Εξίσου σημαντικός λόγος είναι το γεγονός ότι συνήθως οι άνεμοι στη θάλασσα έχουν πολύ μεγαλύτερες τιμές απ ότι στη στεριά. Μια αύξηση κοντά στο 20% στην ταχύτητα των ανέμων σε κάποια απόσταση από τη στεριά είναι πολύ σύνηθες φαινόμενο. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με το ότι η ενέργεια αυξάνεται με τον κύβο της ταχύτητας, μπορεί να μας δώσει απόδοση ενέργειας ακόμη και 73% περισσότερη. Ένα ακόμα επιχείρημα υπέρ των υπεράκτιων αιολικών πάρκων, είναι το γεγονός ότι συνήθως η επιφάνεια της θάλασσας είναι επίπεδη και ήρεμη, οπότε η ταχύτητα του ανέμου δεν αυξάνεται τόσο πολύ με το ύψος σε σχέση με την επιφάνεια της θάλασσας, όπως συμβαίνει στη στεριά, η ταχύτητα του ανέμου είναι μεγαλύτερη στη θάλασσα απ ότι στην ξηρά, και επομένως ο συντελεστής χρησιμοποιήσεως ή συντελεστής εκμετάλλευσης (capacity factor) είναι υψηλότερος στα υπεράκτια αιολικά πάρκα. Η διαφορά στη θερμοκρασία ανάμεσα στην επιφάνεια της θάλασσας και στον αέρα είναι πολύ μικρότερη από την αντίστοιχη στη στεριά, ιδιαίτερα στη διάρκεια της ημέρας. Οπότε όπως είναι λογικό, ο άνεμος στη θάλασσα έχει λιγότερες αναταράξεις από ότι στη στεριά. Το γεγονός αυτό έχει σαν αποτέλεσμα πολύ μικρότερη μηχανική καταπόνηση των ανεμογεννητριών που αυξάνει κατά πολύ τη διάρκεια ζωής τους. ~ 119 ~

129 Μπορεί βέβαια να προκύψουν και κάποια κοινωνικά ζητήματα από τη λειτουργία υπεράκτιων αιολικών πάρκων, ανάλογα με την κουλτούρα και την οικονομική κατάσταση του τόπου. Με προσεκτικό όμως προγραμματισμό και μελέτη, μπορούν να αποφευχθούν τόσο η διατάραξη του περιβάλλοντος όσο και οι αισθητικές επιπτώσεις, αλλά και οι όποιες αντιπαραθέσεις με άλλους τομείς δραστηριότητας. Γι αυτό, πρέπει να εξετάζονται και να αξιολογούνται οι μετεωρολογικές συνθήκες και οι προβλέψεις για τις προτεινόμενες τοποθεσίες. Ουσιαστικά, η κατανόηση των αιολικών χαρακτηριστικών είναι υψίστης σημασίας. Το βάθος και η φύση του βυθού της θάλασσας είναι παράγοντες που πρέπει να εξετάζονται, σε ορισμένες τοποθεσίες. Οι επιλογές που υπάρχουν όσον αφορά τις κατασκευές έδρασης είναι περιορισμένες και αυτό έχει σημαντική επίπτωση στο συνολικό κόστος τοποθέτησης των γεννητριών. Επίσης, θα πρέπει να εξετάζεται η απόσταση από την ακτή και τους σταθμούς εξυπηρέτησης. Αυτό μπορεί να επηρεάσει τόσο το χρόνο όσο και το κόστος ανέγερσης του αιολικού πάρκου, καθώς και τις εργασίες συντήρησης. Επιπλέον, μπορεί να οδηγήσει στην ανάγκη κατασκευής επιτόπιων εγκαταστάσεων συντήρησης, ιδίως για τα μεγάλα αιολικά πάρκα. Ακόμη, είναι επιτακτική ανάγκη να λαμβάνονται υπόψη η ναυσιπλοΐα, η αλιεία και οι διάδρομοι του θαλάσσιου εμπορίου. Ανάλογα με το μέγεθος του αιολικού πάρκου, είναι πιθανόν να επηρεάζονται τα δρομολόγια των εμπορικών πλοίων. Το υπεράκτιο αιολικό πάρκο ενδέχεται να έχει επιπτώσεις στο οικοσύστημα. Συνεπώς, θα πρέπει να εξετάζεται η κατάσταση όσον αφορά τα ψάρια, τα θαλάσσια θηλαστικά και τα πτηνά στην περιοχή. Γενικά τα υπεράκτια αιολικά πάρκα έχουν μεγαλύτερο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης από τα χερσαία. Όμως, λόγω του μεγαλύτερου αιολικού δυναμικού που υπάρχει στις υπεράκτιες περιοχές το αυξημένο κεφαλαιουχικό κόστος και το κόστος συντήρησης αντισταθμίζεται. Υπεράκτιο αιολικό πάρκο Στα μεγάλα αιολικά πάρκα ισχύος μεγαλύτερης των 100MW συνήθως χρησιμοποιούνται εσωτερικά AC δίκτυα μέσης τάσης. Συνήθως στο κέντρο αυτών των πάρκων βρίσκεται μια πλατφόρμα με μετασχηματιστή υψηλής τάσης. Η μεταφορά ενέργειας στην ξηρά γίνεται με υποθαλάσσιο καλώδιο. Τα υποθαλάσσια καλώδια επιβάλλεται να θαφτούν στο βυθό προκειμένου να μειωθούν οι κίνδυνοι να καταστραφούν από διάφορους παράγοντες όπως π.χ. από δίχτυα ψαρέματος. Τα καλώδια αυτά έχουν μεγάλες χωρητικότητες, οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν ~ 120 ~

130 προβλήματα αναλόγως των παραμέτρων του δικτύου και της απόστασης από την ακτή. Γι αυτό και σε περιπτώσεις μεγάλων αποστάσεων από την ακτή χρησιμοποιείται μεταφορά με συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης (HVDC) για ελαχιστοποίηση των απωλειών κατά τη μεταφορά. Σχεδιάγραμμα υπεράκτιου αιολικού πάρκου, ισχύος 100MW. Αιολικά πάρκα με AC σύνδεση Τα περισσότερα αιολικά πάρκα που έχουν κατασκευαστεί μέχρι σήμερα έχουν ένα ηλεκτρικό AC σύστημα από τις ανεμογεννήτριες στο σημείο σύζευξης με το δίκτυο. Εδώ, θα παρουσιαστούν δύο διαφορετικά τέτοια συστήματα, το ένα για μικρά και το άλλο για μεγάλα αιολικά πάρκα. Πρώτα θα γίνει αναφορά στα μικρά αιολικά πάρκα. Τα ΑC συστήματα σύνδεσης είναι κατάλληλα για μικρά αιολικά πάρκα που έχουν μικρή απόσταση από το σημείο στο οποίο πρέπει να γίνει η μεταφορά. Το τοπικό δίκτυο των ανεμογεννητριών χρησιμοποιείται και για να συνδέονται ακτινικά οι ανεμογεννήτριες μεταξύ τους, αλλά και για τη μεταφορά της παραγόμενης ενέργειας στο σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο. ~ 121 ~

131 Διάγραμμα μικρού ΑC αιολικού πάρκου. Σε αυτό το σύστημα, τα καλώδια στο τοπικό δίκτυο εγκαθίστανται κατά σειρά ένα προς ένα από τις ανεμογεννήτριες στο σημείο σύνδεσης (κοινός κόμβος). Από το σημείο σύνδεσης μέχρι το σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο τα καλώδια συνδέονται όλα μαζί. Αυτή η μέθοδος μειώνει το κόστος της εγκατάστασης μιας και από το σημείο σύνδεσης όλων των ανεμογεννητριών και μετά έχουμε το κόστος εγκατάστασης για ένα μόνο καλώδιο. Για τα μεγάλα τώρα αιολικά πάρκα, τα χρησιμοποιούμενα συστήματα σύνδεσης είναι πιο παραδοσιακά και βασίζονται στο παραπάνω σχήμα. Το σύστημα αυτό έχει ένα τοπικό δίκτυο ανεμογεννητριών, το οποίο λειτουργεί σε χαμηλότερα επίπεδα τάσης (20kV - 30kV) και είναι συνδεδεμένο σε έναν κοινό μετασχηματιστή και ένα σύστημα μεταφοράς υψηλής τάσης. Για το σύστημα αυτό κάθε καλώδιο έχει το δικό του κόστος εγκατάστασης, μιας και όλα τα καλώδια ακολουθούν διαφορετικές διαδρομές. Αιολικά πάρκα με AC/DC σύνδεση Στο σύστημα αυτό η διαφορά είναι πως η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται μέσω DC διασύνδεσης. Η σύνδεση στα πάρκα αυτά συνήθως αναφέρεται ως AC/DC. Τέτοιου είδους συστήματα προτείνοντα όταν το σημείο σύνδεσης με το δίκτυο βρίσκεται μακριά ή αν το τοπικό δίκτυο στο οποίο συνδέεται το πάρκο δεν είναι ισχυρό. Αυτός ο τύπος συστήματος φαίνεται στο παρακάτω. ~ 122 ~

132 Διάγραμμα μικτού AC/DC αιολικού πάρκου. Στο σύστημα αυτό, υπάρχει ένα πλήρως ανεξάρτητο τοπικό ΑC σύστημα στο οποίο και η τάση αλλά και η συχνότητα είναι πλήρως ελεγχόμενες μέσω ενός μετατροπέα. Το πλεονέκτημα μιας τέτοιας εφαρμογής είναι ότι η αεροδυναμική και ηλεκτρική απόδοση μπορούν να αυξηθούν σημαντικά. Εδώ το κόστος εγκατάστασης των καλωδίων είναι παρόμοιο με αυτό των μεγάλων AC πάρκων. Τα δύο καλώδια που χρησιμοποιούνται για τη DC μεταφορά, ένα για το θετικό πόλο και ένα για τον αρνητικό, συνήθως τοποθετούνται μαζί με αποτέλεσμα να έχει το ίδιο κόστος με το να τοποθετούνταν μόνο ένα. Αιολικά πάρκα με DC σύνδεση Για τα αιολικά πάρκα αυτού του τύπου υπάρχουν τρεις διαφορετικές τοπολογίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Τα μικρά και τα μεγάλα πάρκα με DC σύνδεση άλλα και μια τρίτη συνδεσμολογία με τις ανεμογεννήτριες συνδεδεμένες σε σειρά. Διάγραμμα μικρού DC αιολικού πάρκου. Όπως φαίνεται και από το σχήμα, το σύστημα αυτό είναι παρόμοιο με αυτό των μικρών πάρκων με AC σύνδεση. Η μόνη διάφορα είναι ότι ο μετασχηματιστής εδώ έχει αντικατασταθεί από έναν DC μετατροπέα και έναν αντιστροφέα. Προφανώς, είναι απαραίτητη η χρήση ενός ανορθωτή σε κάθε ανεμογεννήτρια. Το πλεονέκτημα ~ 123 ~

133 των μικρών πάρκων με DC διασύνδεση σε σχέση με τα μεγάλα, είναι το ίδιο που ισχύει και στα μικρά πάρκα με AC διασύνδεση. Το κόστος εγκατάστασης των καλωδίων είναι επίσης αντίστοιχο. Όσον αφορά τώρα τα μεγάλα πάρκα με DC διασύνδεση, αυτά διαφέρουν σχετικά με τα αντίστοιχα AC. Η βασική διαφορά είναι ότι μπορεί να χρειαστούν περισσότεροι του ενός μετατροπείς προκειμένου να φτάσει η τάση των ανεμογεννητριών στο κατάλληλο επίπεδο για μεταφορά. Μόνο όταν η DC τάση των ανεμογεννητριών είναι αρκετά μεγάλη (20kV - 40kV) τότε ένας μετατροπέας μπορεί να είναι αρκετός. Για χαμηλότερες τιμές (5kV) είναι απαραίτητα τουλάχιστον δυο σταδία μετατροπής. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η συνδεσμολογία με δυο σταδία μετατροπέων. Διάγραμμα μεγάλου DC αιολικού πάρκου. Στην περίπτωση αυτή, όπως φαίνεται και από το σχήμα, οι ανεμογεννήτριες χωρίζονται σε μικρότερες ομάδες. Όλες οι ανεμογεννήτριες σε κάθε ομάδα συνδέονται μία προς μία στο πρώτο επίπεδο μετατροπής. Η πλευρά της υψηλής DC τάσης του μετατροπέα στη συνεχεία συνδέεται σε έναν άλλο μεγαλύτερης ισχύος μετατροπέα στο δεύτερο επίπεδο μετατροπής. Διάγραμμα DC αιολικού πάρκου με τις ανεμογεννήτριες συνδεδεμένες σε σειρά. ~ 124 ~

134 Στη συνδεσμολογία αυτή οι ανεμογεννήτριες είναι συνδεδεμένες σε σειρά προκειμένου να μπορούν να παρέχουν την κατάλληλη τάση έτσι ώστε να μπορεί να γίνει απ ευθείας η μεταφορά. Τα συστήματα αυτού του είδους ονομάζονται εν σειρά DC αιολικά πάρκα. Το πλεονέκτημα αυτού του συστήματος είναι ότι παρά το σχετικά μεγάλο μέγεθος τους, δεν απαιτείται η χρήση μεγάλων DC μετατροπέων. Αντίστοιχα, το μειονέκτημα αυτής της τοπολογίας είναι ότι οι DC/DC μετατροπείς στις ανεμογεννήτριες, πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν σε πολύ υψηλές τιμές τάσεων. Αυτό πρέπει να συμβαίνει γιατί σε περίπτωση που σε μια ανεμογεννήτρια δεν υπάρχει ενεργεία με αποτέλεσμα να μη μπορεί να παρέχει την απαιτούμενη τάση, τότε οι άλλες ανεμογεννήτριες πρέπει να καλύψουν την απώλεια παρέχοντας μεγαλύτερη τάση εξόδου. Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα ανεμογεννητριών/αιολικών πάρκων Η σύγχρονη τεχνολογία στην αιολική ενέργεια μπορεί να δώσει αποφασιστικές λύσεις για την παραγωγή καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας και διοχέτευσής της στο δίκτυο. Επιπλέον, οι νέες τεχνολογίες στα αιολικά συστήματα έχουν άρει τα παλιά προβλήματα που είχαν οι πρώτες μηχανές και έχουν οδηγήσει στη βέλτιστη ενσωμάτωση των ανεμογεννητριών και των αιολικών πάρκων στο σύστημα έτσι ώστε να προσεγγίζουν και πολλές φορές να ξεπερνούν τις λειτουργικές δυνατότητες που δίνουν οι συμβατικοί σταθμοί από άποψη λειτουργίας και ευστάθειας του συστήματος. Βέβαια υπάρχουν πολλά ακόμα να λυθούν αλλά υπάρχει η δυνατότητα σήμερα μεγάλης διείσδυσης ανεμογεννητριών και αιολικών πάρκων στο σύστημα. Για τα αιολικά συστήματα οι αναμενόμενες επιπτώσεις στο τοπικό φυσικό περιβάλλον αφορούν σε δύο ξεχωριστά στάδια των έργων: αυτό της κατασκευής και στη συνέχεια της λειτουργίας. Σύμφωνα με τη συνήθη πρακτική, κατά τη φάση κατασκευής αναμένονται μεν αρνητικές επιπτώσεις στα είδη της χλωρίδας στην περιοχή κατάληψης του έργου (θέσεις ανεμογεννητριών, συνοδά έργα), αλλά οι επιπτώσεις αυτές κρίνονται ασθενείς ως προς την ένταση, τοπικού χαρακτήρα και μπορούν να χαρακτηριστούν σχεδόν ολικά αντιστρεπτές, αφού μετά το πέρας της φάσης κατασκευής θα είναι δυνατός ο φυσικός επανεποικισμός περιοχών που διαταράχθηκαν και δεν καταλαμβάνονται από τεχνικά έργα. Η οποιαδήποτε φθορά της δασικής βλάστησης με βάση το σχεδιασμό του έργου μπορεί να περιοριστεί στην ελάχιστη δυνατή, ενώ το δασικό περιβάλλον που θα αλλοιωθεί από την όλη επέμβαση μπορεί να αποκατασταθεί, συνήθως με τη χρησιμοποίηση αυτοχθόνων ειδών της περιοχής. Η εγκατάσταση τέτοιων έργων στην Ελλάδα γίνεται συνήθως σε απομακρυσμένες ορεινές περιοχές σε άγονη, ακαλλιέργητη και ανεκμετάλλευτη γη. Όσον αφορά τη χερσαία πανίδα και αυτή δεν αναμένεται να υποστεί επιπτώσεις από την κατασκευή του έργου. Ενδεχομένως μόνο, κάποια υπάρχοντα κοινά είδη πανίδας, να υποχωρήσουν ελαφρά κατά τη διάρκεια κατασκευής και διαμόρφωσης του αιολικού πάρκου, λόγω των έργων και των δυσμενών συνθηκών (θόρυβοι, σκόνη). Έχει παρατηρηθεί, σε αιολικά πάρκα που λειτουργούν στην Ελλάδα και διεθνώς, ότι η πανίδα μετά τη λήξη των εργασιών επιστρέφει στους φυτικούς βιότοπούς της, διότι στα αιολικά πάρκα δεν υπάρχουν περιφράξεις, παρουσία του ανθρώπου δεν υφίσταται ενώ το ανάγλυφο της περιοχής και η χλωρίδα ουσιαστικά αποκαθίστανται. Η έκταση της καταλαμβανόμενης γης από το αιολικό πάρκο ουσιαστικά αφορά στον οικισμό του κέντρου ελέγχου και τις βάσεις των ~ 125 ~

135 ανεμογεννητριών και αποτελεί πάρα πολύ μικρό ποσοστό της συνολικής επιφάνειας του χώρου εγκατάστασης. Έχει αποδειχθεί σαφώς στο διεθνή χώρο ότι σ ένα αιολικό πάρκο μπορούν να συνυπάρχουν αρμονικά δύο χρήσεις και συγκεκριμένα στο 2% περίπου της επιφάνειάς του οι ανεμογεννήτριες και στο υπόλοιπο 98% η βοσκή ή η αγροτική καλλιέργεια. Επιπρόσθετα, η διάνοιξη της εσωτερικής οδοποιίας σε ένα αιολικό πάρκο καθώς και η τυχόν βελτίωση των οδών προσπέλασης σε αυτό είναι πλέον αποδεκτά ως πλεονέκτημα από τους όποιους άλλους δυνητικούς χρήστες του γηπέδου του αιολικού πάρκου που στη μεγάλη πλειονότητά τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί κυρίως για βοσκή. Το έργο, λόγω της φύσης του, κατά τη φάση λειτουργίας του δε θα επηρεάσει αρνητικά οποιαδήποτε πτυχή της χλωρίδας της περιοχής. Από το σύνολο της πανίδας μόνο τα πουλιά μπορεί να επηρεαστούν από το αιολικό πάρκο κυρίως με θανάτωση (ή τραυματισμό) μετά από προσκρούσεις στους ανεμοκινητήρες. Μακροχρόνιες έρευνες για τα πουλιά έχουν αποδείξει ότι οι θάνατοι (ή τραυματισμοί) από προσκρούσεις σε ανεμογεννήτριες είναι πολλοί λιγότερες από τους θανάτους που προέρχονται από συγκρούσεις πουλιών με διάφορες κατασκευές των ανθρώπων όπως εναέριες ηλεκτρικές γραμμές, πυλώνες, ιστοί, κινούμενα οχήματα, παράθυρα κτιρίων, κ.λ.π. Οι επιπτώσεις αυτές συγκριτικά θεωρούνται από πολύ μικρές έως αμελητέες από τις μεγαλύτερες περιβαλλοντικές οργανώσεις του πλανήτη (Greenpeace, WWF, RSPB, κ.λ.π.). Αριθμός νεκρών πτηνών από διάφορες αιτίες θανάτου. Επιπλέον η υγρασία, η θερμοκρασία, η ατμόσφαιρα, τα υπόγεια ύδατα και το κλίμα της περιοχής δεν επηρεάζονται σε καμία περίπτωση από το έργο. Σύμφωνα με τα στοιχεία της διεθνούς βιβλιογραφίας και εμπειρίας σαφώς μπορεί να λεχθεί ότι η συνήθης ορεινή θέση βοσκότοπος του γηπέδου όπου θα εγκατασταθεί το αιολικό πάρκο ευνοεί τη μηδενική επίδραση του πάρκου στην υπόλοιπη πανίδα. Η τεχνολογία όλων των σύγχρονων ανεμογεννητριών της τάξης των MW (όπως αυτών που πρόκειται να εγκαθίστανται σε τέτοια έργα) είναι ιδιαίτερα υψηλών προδιαγραφών και χρησιμοποιεί προηγμένες τεχνικές μεταβλητών στροφών/αυτόματης ρύθμισης των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών που αφενός εξασφαλίζουν τη μέγιστη απόδοση της ισχύος σε κανονική λειτουργία υπό χαμηλές ταχύτητες περιστροφής και αφετέρου εγγυώνται ασφαλή λειτουργία, υποστηρικτική του δικτύου, υπό δυσμενείς συνθήκες λειτουργίας όπως ακόμη και ~ 126 ~

136 βραχυκυκλωμάτων. Η συχνότητες λειτουργίας όλου του συστήματος ισχύος είναι ιδιαίτερα χαμηλές (μικρότερες των 100Hz) και ως εκ τούτου δεν υφίσταται απολύτων κανένα θέμα «εκπομπής» ηλεκτρομαγνητικής ή οποιασδήποτε άλλης μορφής ακτινοβολίας. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο της ηλεκτρογεννήτριας είναι εξαιρετικά ασθενές και περιορίζεται σε μια πολύ μικρή απόσταση γύρω από το κέλυφός της που είναι τοποθετημένο ψηλά στην άτρακτο της ανεμογεννήτριας, τουλάχιστον 50m πάνω από το έδαφος για μία ανεμογεννήτρια των 2MW. Η επίδραση του πεδίου αυτού αποσβένυται εκθετικά με την απόσταση έτσι ώστε ούτε καν κοντά στη βάση της ανεμογεννήτριας να μη δημιουργείται πρόβλημα. Ο μετασχηματιστής, πάλι, όταν δε βρίσκεται και αυτός στην άτρακτο, περιβάλλεται πάντα από περίφραξη ασφαλείας ή είναι κλεισμένος σε μεταλλικό υπόστεγο. Γενικά, τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που εμφανίζονται είναι τα συνήθη ακίνδυνα πεδία που εμφανίζονται στα δεκάδες χιλιάδες χιλιόμετρα του δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας χαμηλής ή μέσης τάσης που τροφοδοτεί και τα σπίτια μας. Το μόνο πρόβλημα από τις ανεμογεννήτριες προέρχεται από τα κινούμενα πτερύγια που μπορούν να προκαλέσουν αυξομείωση άλλων σημάτων (κυρίως στις συχνότητες εκπομπών FM από τηλεπικοινωνιακούς ή ραδιοτηλεοπτικούς σταθμούς) λόγω ανακλάσεων σε αυτά. Τα πτερύγια των σύγχρονων ανεμογεννητριών όμως κατασκευάζονται από υλικά τα οποία έχουν ελάχιστη επίπτωση στη μετάδοση των σημάτων αυτών εφόσον τηρούνται κάποιες ελάχιστες αποστάσεις από τους αναμεταδότες, πράγμα που άλλωστε προβλέπεται από τη νομοθεσία κατά την αδειοδότηση. Όσον αφορά στην πιθανή όχληση από εκπομπή θορύβου, θα πρέπει να τονιστεί ότι οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες είναι σχεδόν αθόρυβες. Ο μηχανικός θόρυβος των παλαιότερων μηχανών έχει πρακτικά εκμηδενισθεί, ενώ έχει μειωθεί στο ελάχιστο και ο αεροδυναμικός θόρυβος. Ο θόρυβος που παράγουν είναι διακριτός όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι μικρότερη από 7 8 m/s. Σε μεγαλύτερες ταχύτητες ανέμου και σε απόσταση λίγων εκατοντάδων μέτρων από αυτές ο οποιοσδήποτε θόρυβός τους καλύπτεται από το φυσικό θόρυβο του ανέμου που προσπίπτει στο ανάγλυφο του περιβάλλοντος τοπίου (βλάστηση, λόφοι, οικήματα, κλπ). Οι αποστάσεις κάποιων λίγων εκατοντάδων μέτρων του γηπέδου που θα εγκατασταθεί το αιολικό πάρκο από τους γύρω οικισμούς σε συνδυασμό με το γεγονός ότι οι προς εγκατάσταση ανεμογεννήτριες ενσωματώνουν όλες τις τελευταίες τεχνολογίες μείωσης του μηχανικού και αεροδυναμικού θορύβου, εξασφαλίζουν ότι το πάρκο δε θα προκαλέσει σημαντική αύξηση της υπάρχουσας στάθμης θορύβου εκτός των ορίων του. ~ 127 ~

137 Επίπεδα θορύβου για διάφορες δραστηριότητες. Μόνο κατά τη φάση της κατασκευής, προσωρινή και πλήρως αναστρέψιμη επίπτωση θα υπάρξει από την παρουσία του εργοταξίου και των μηχανημάτων τόσο στο επίπεδο του θορύβου όσο και στην αλλοίωση του τοπίου. Οι επιπτώσεις στο τοπίο από την παρουσία του αιολικού πάρκου με μοντέρνες ανεμογεννήτριες χαρακτηρίζονται από τη σαφώς μεγαλύτερη δυνατότητα οπτικής αποδοχής σε σχέση με αυτές παλαιότερης τεχνολογίας, καθότι είναι λεπτές και κομψές στο σχεδιασμό τους, ενώ έχουν ταχύτητα περιστροφής των πτερυγίων τους μικρότερη, γεγονός που δημιουργεί πιο ευχάριστο οπτικό αποτέλεσμα. Οι ανεμογεννήτριες δεν παράγουν ούτε CO 2, ούτε οξείδια του αζώτου, αλλά ούτε και οξείδια του θείου, ενώ παράλληλα δεν απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας για τη συνολική κατασκευή και λειτουργία τη δική τους και των πάρκων. Είναι γεγονός πως σε ένα μέσο αιολικό πάρκο, μια ανεμογεννήτρια θα έχει αποσβέσει όλη την ενέργεια που έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή, εγκατάσταση και λειτουργία της σε διάστημα μικρότερο των 3 μηνών. Με ένα μέσο χρόνο ζωής γύρω στα 20 χρόνια, αυτό μας δίνει μια απόδοση κοντά στο 8.000%, οπότε προφανώς αποδίδει περίπου 80 φορές την ενέργεια η οποία δαπανήθηκε για αυτή. Φυσικά για τα υπεράκτια πάρκα τα αποτελέσματα είναι ακόμα καλύτερα μιας και οι ανεμογεννήτριες έχουν μεγαλύτερο προσδοκόμενο χρόνο ζωής. Ο χρόνος ζωής αυτών των ανεμογεννητριών υπολογίζεται στα χρόνια. Η λειτουργία κάθε αιολικού πάρκου επιφέρει, κατά το μέτρο του μεγέθους του, οφέλη για την εθνική οικονομία, την ασφάλεια του δικτύου, τη δημόσια υγεία και την προστασία του περιβάλλοντος. Αποτελεί υποχρέωση της χώρας και υποχρέωση όλων μας προς τις επερχόμενες γενιές η ανάπτυξη και εν προκειμένω η παραγωγή ενέργειας και με περιβαλλοντικά κριτήρια. Ας μην ξεχνάμε ότι τα τελευταία 100 χρόνια καμία άλλη δραστηριότητα του ανθρώπου δεν επιβάρυνε τόσο δραστικά το περιβάλλον και την ατμόσφαιρα όσο η παραγωγή ενέργειας. Ταυτόχρονα, κανείς πλέον δε δικαιούται να αγνοεί τυχόν επιπτώσεις από την ανάπτυξη τέτοιων έργων στις τοπικές κοινωνίες. Ο σεβασμός στην υγεία των ανθρώπων της περιοχής, στις δραστηριότητές τους και τις καθημερινές συνήθειές τους καθώς και η μη βίαια επέμβαση στο γενικότερο οικοσύστημα πρέπει να είναι απόλυτα εγγυημένη από τη λειτουργία του. Οι σημερινές δυνατότητες της τεχνολογίας, η καλή εκτέλεση του έργου σύμφωνα με τις απαιτήσεις της επιστήμης και τεχνικής σε συνδυασμό με την τήρηση της αυστηρής νομοθεσίας που ευτυχώς ~ 128 ~

138 έχει θεσπιστεί στη χώρα μας για τέτοια έργα, δεν αφήνουν περιθώρια για παρεκκλίσεις. Ένα είναι το κύριο μειονέκτημα της αιολικής ενέργειας, η αβεβαιότητα στην εμφάνιση του ανέμου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα συνεχείς μεταβολές της παραγόμενης ισχύος των αιολικών συστημάτων και συνεπώς συνεχείς διαταραχές στα ηλεκτρικά δίκτυα που συνδέονται, λόγω της συνεχούς διακύμανσης της τάσης και της συχνότητας, της απορρόφησης άεργου ισχύος και γενικότερα της ποιότητας της παραγόμενης ισχύος. Στα μεγάλα ηλεκτρικά δίκτυα, οι απαιτήσεις των καταναλωτών ποικίλουν και για το λόγο αυτό πρέπει να υπάρχου μεγάλες εφεδρείες ενέργειας για κάποια περίπτωση που θα υπάρξουν μεγάλες αιχμές ζήτησης ή κάποια μεγάλη μονάδα τεθεί εκτός λειτουργίας. Οπότε, το πρόβλημα που εισάγουν οι ανεμογεννήτριες είναι ότι δεν μπορούμε να αναμένουμε σταθερή παραγωγή ενέργειας από αυτές. Εξαιτίας αυτών στόχος όλων των ερευνητικών δραστηριοτήτων που πραγματοποιούνται τις τελευταίες δεκαετίες, είναι εκτός της βέλτιστης εκμετάλλευσης του αιολικού δυναμικού, η παραγωγή ηλεκτρικής με τα καλύτερα κατά το δυνατόν χαρακτηριστικά για τα ηλεκτρικά δίκτυα. Ένα δεύτερο μειονέκτημα είναι το γεγονός ότι οι ανεμογεννήτριες εισάγουν διακυμάνσεις στο δίκτυο. Βέβαια όσο περισσότερες ανεμογεννήτριες έχουμε στο δίκτυο, τόσο μικρότερες είναι αυτές οι διακυμάνσεις και τόσο πιο σταθερή είναι η αναμενόμενη παραγωγή ενέργειας. Στις περισσότερες θέσεις αιολικών πάρκων στον κόσμο, η ταχύτητα του αέρα έχει μεγάλες μεταβολές. Για την ακρίβεια, μεγάλες ταχύτητες δεν εμφανίζονται τόσο συχνά, ενώ τον περισσότερο καιρό υπάρχουν χαμηλές τιμές ταχυτήτων. Επιπρόσθετα, στην Ευρώπη παραδείγματος χάρη, αλλά και σε μερικά άλλα μέρη του κόσμου, η ταχύτητα και ποσότητα του ανέμου έχει βρεθεί ότι βρίσκεται σε καλό συγχρονισμό με τη μέγιστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Ισχυρότερος και διαρκέστερος άνεμος εμφανίζεται στη διάρκεια της ημέρας σε σχέση με τη νύχτα, το ίδιο ισχύει το χειμώνα σε σχέση με το καλοκαίρι, αυξάνοντας τη συνεισφορά του ανέμου στο δίκτυο κατά 40% 60% για τις αντίστοιχες περιόδους. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας απαιτούν ένα σύστημα ηλεκτρονικών ισχύος το οποίο είναι ικανό να προσαρμόζει την ισχύ της γεννήτριας, να παρέχει άεργο ισχύ στη γεννήτρια, να επιτυγχάνει την ομαλή σύνδεση τους στο δίκτυο και να βελτιώνει την ποιότητα της εγχυόμενης ενέργειας στο δίκτυο. Η τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος είναι ταχέως αναπτυσσόμενη και εξελισσόμενη. Τα στοιχεία τους πλέον μπορούν να διαχειριστούν υψηλά ρεύματα και τάσεις. Οι απώλειες ενέργειας σ αυτά έχουν μειωθεί σημαντικά κάνοντας τις συσκευές πιο αξιόπιστες στις υψηλές τιμές ισχύος. Επιπλέον, η σχέση της τιμής τους προς την ισχύ είναι ένας λόγος που συνεχώς μειώνεται με αποτέλεσμα το όφελος από τη χρήση των μετατροπέων ισχύος να είναι σαφώς μεγαλύτερο από το κόστος, ακόμα και για ισχείς της τάξεις των MW. Τα ηλεκτρονικά ισχύος έχουν το μεγάλο πλεονέκτημα του ακριβούς και συνεχούς ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής, γεγονός που έχει σαν αποτέλεσμα τα εξής: Βέλτιστη ενεργειακά λειτουργία με ρύθμιση της πραγματικής ισχύος. ~ 129 ~

139 Μειωμένα φορτία στο κιβώτιο ταχυτήτων, καθώς οι μεταβολές της ταχύτητας του αέρα απορροφώνται μέσω αλλαγών στην ταχύτητα του δρομέα. Έλεγχο του συντελεστή ισχύος με ρύθμιση της αέργου ισχύος. Χαμηλά επίπεδα θορύβου στις χαμηλές ταχύτητες. Τη μη χρησιμοποίση σε ορισμένες περιπτώσεις (πολυπολικές ηλεκτρικές μηχανές, όπως η σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη PMSG) του κιβωτίου ταχυτήτων, μιας και ο μετατροπέας λειτουργεί σαν ένα ηλεκτρικό κιβώτιο ταχυτήτων. Άλλο ένα πλεονέκτημα των ηλεκτρονικών ισχύος είναι ότι παρέχουν τη δυνατότητα στα αιολικά συστήματα και πάρκα να αποτελέσουν ενεργό στοιχείο του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Από την πλευρά του δικτύου, αυτό το χαρακτηριστικό έχει αρκετά πλεονεκτήματα, που εκτός από το ότι η ενεργός και άεργος ισχύς του αιολικού πάρκου είναι ελέγξιμη και ο μετατροπέας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν τοπική πηγή αέργου ισχύος (σημαντικό χαρακτηριστικό ιδιαίτερα στα ασθενή δίκτυα), επιπλέον: Το αιολικό πάρκο μπορεί να έχει θετική συνεισφορά στην ευστάθεια του δικτύου (ευστάθεια τάσης ή/και συχνότητας). Οι μετατροπείς βελτιώνουν την ποιότητα της παραγόμενης ενέργειας του αιολικού πάρκου, μιας και λειτουργούν σα φίλτρα για τις χαμηλές αρμονικές. Τα μειονεκτήματα από τη χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος είναι οι απώλειες ενέργειας σ αυτά κατά την αγωγή τους, οι οποίες μειώνουν το συνολικό συντελεστή απόδοσης της διάταξης στην οποία χρησιμοποιούνται και το αυξημένο κόστος για τον επιπλέον εξοπλισμό, κόστος το οποίο όμως συνεχώς μειώνεται. Ένα άλλο μειονέκτημα που προκύπτει για το δίκτυο από τη χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος, είναι ότι παράγουν υψηλές αρμονικές ρεύματος στο δίκτυο, γεγονός που οδηγεί είτε στην παρενόχληση της λειτουργίας των γειτονικών συσκευών (ElectroMagnetic Interference ή ΕΜΙ) είτε στην αύξηση της αέργου ισχύος και των απωλειών. Ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος Τα ηλεκτρονικά ισχύος περιλαμβάνουν συσκευές όπως οι ηλεκτρονικά ελεγχόμενοι εκκινητές (και οι συστοιχίες πυκνωτών), ανορθωτές, αντιστροφείς και μετατροπείς συχνότητας. Τα βασικά στοιχεία των μετατροπέων είναι δίοδοι (μη ελεγχόμενες βαλβίδες) και ηλεκτρονικοί διακόπτες (ελεγχόμενες βαλβίδες), όπως τα συμβατικά θυρίστορ ή και τρανζίστορ. Οι δίοδοι επιτρέπουν τη διέλευση του ρεύματος μόνο προς μία κατεύθυνση (πολώνονται ορθά και έρχονται σε αγωγή) και μπλοκάρουν τη ροή ρεύματος προς την αντίθετη κατεύθυνση. Οι ηλεκτρονικοί διακόπτες επιτρέπουν την επιλογή της ακριβούς στιγμής που είναι επιθυμητό η δίοδος να επιτρέψει τη διέλευση ρεύματος. Ένα συμβατικό θυρίστορ μπορεί να διεγερθεί από την πύλη του και να έρθει σε αγωγή ενώ θα μπλοκάρει μόνο όταν το ρεύμα περάσει από το μηδέν προς τις αρνητικές τιμές. Αντίθετα, τα ελεγχόμενα τρανζίστορ μπορούν να έρθουν σε αγωγή ή διακοπή όποια στιγμή είναι επιθυμητό. Τα συμβατικά θυρίστορ μπορούν να ελέγξουν την ενεργό ισχύ, ενώ τα ελεγχόμενα τρανζίστορ μπορούν να ελέγξουν και την ενεργό και την άεργο ισχύ. Τα συστήματα ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας μπορούν να χρησιμοποιήσουν πολλούς διαφορετικούς τύπους μετατροπέων. Για την περίπτωση μετατροπέων με θυρίστορς, αυτοί μπορεί και να είναι με φυσική μετάβαση ή ~ 130 ~

140 εξαναγκασμένη μετάβαση (grid commutated ή self commutated) μετατροπείς. Ο συνήθης τύπος μετατροπέα φυσικής μετάβασης είναι μια φθηνή και αξιόπιστη συσκευή, που όμως καταναλώνει ενεργό ισχύ και παράγει αρμονικές ρεύματος, οι οποίες είναι δύσκολο να φιλτραριστούν. Οι τυπικοί μετατροπείς εξαναγκασμένης μετάβασης αποτελούνται είτε από GTO θυρίστορ ή από τρανζίστορ. Οι μετατροπείς αυτοί παρουσιάζουν ενδιαφέρον επειδή έχουν υψηλή διακοπτική συχνότητα. Οι αρμονικές μπορούν να φιλτραριστούν πιο εύκολα, οπότε οι διαταραχές που προκαλούν στο δίκτυο μπορούν να κρατηθούν σε χαμηλό επίπεδο. Σήμερα, ο πιο διαδεδομένος τύπος τρανζίστορ ισχύος είναι το IGBT. Η διακοπτική συχνότητα των IGBT κυμαίνεται μεταξύ των 2 και 20kHz, σε αντίθεση με τα GTO θυρίστορ, των οποίων η διακοπτική συχνότητα δεν μπορεί να ξεπεράσει το 1kHz, γεγονός που ολοένα τα απομακρύνει από τις σύγχρονες επιλογές. Σήμερα, ο κυρίαρχος τύπος μετατροπέα που χρησιμοποιείται είναι εξαναγκασμένης μετάβασης με IGBT. Οι μετατροπείς αυτοί είναι είτε μετατροπείς πηγής τάσης (Voltage Source Converter VSC) είτε μετατροπείς πηγής ρεύματος (Current Source Converter CSC). Και οι δύο τύποι μπορούν να ελέγξουν και τη συχνότητα και την τάση. Οι VSC και CSC μετατροπείς παρέχουν σχετικά καλές κυματομορφές για την τάση και το ρεύμα, αντίστοιχα στα σημεία σύνδεσης με τη γεννήτρια και το δίκτυο. Στην περίπτωση των VSC, η τάση στη διασύνδεση συνεχούς ρεύματος διατηρείται σταθερή από έναν μεγάλο σχετικά πυκνωτή. Στην περίπτωση του CSC, συμβαίνει ακριβώς το αντίθετο. Το ρεύμα στη διασύνδεση συνεχούς ρεύματος διατηρείται σταθερό από ένα μεγάλο πηνίο. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι τα VSC και CSC έχουν τελείως διαφορετική λογική. Ως προς την παλμοδότησή τους, μπορούν να εφαρμοστούν διάφοροι τρόποι, όπως εξαπαλμικό, διαμορφωτής πλάτους παλμών (PAM) ή διαμορφωτής εύρους παλμών (PWM). Χρησιμοποιώντας την τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM), οι αρμονικές των χαμηλών συχνοτήτων εξαλείφονται και η συχνότητα των πρώτων υψηλής τάξης αρμονικών πηγαίνει στη διακοπτική συχνότητα του αντιστροφέα ή του ανορθωτή. Στα σύγχρονα συστήματα ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας η καθιερωμένη τεχνολογία είναι αυτή των VSC μετατροπέων με IGBT και PWM παλμοδότηση. Στη συνέχεια γίνεται μια γενική εισαγωγή των βασικότερων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Δίοδοι ισχύος Η δίοδος είναι ένα μη ελεγχόμενο διακοπτικό στοιχείο. Η συμπεριφορά της εξαρτάται αποκλειστικά από την τάση που εφαρμόζεται στα άκρα της ή το ρεύμα που τη διαρρέει. Η δίοδος ισχύος κατασκευάζεται συνήθως με βάση το πυρίτιο και αποτελείται από δύο ημιαγωγούς τύπου P + και Ν +, με υψηλό ποσοστό προσμίξεων, μεταξύ των οποίων υπάρχει μια περιοχή τύπου N -, με χαμηλό ποσοστό προσμίξεων (περιοχή επιταξίας). ~ 131 ~

141 Δομή μιας διόδου Η ημιαγώγιμη επαφή επιτρέπει τη διέλευση του ρεύματος προς μία κατεύθυνση. Έτσι η δίοδος είναι ένας μη ελεγχόμενος ανορθωτής και για το λόγο αυτό αναφέρεται συχνά με αυτή την ονομασία. Τυπική στατική χαρακτηριστική διόδου ισχύος ~ 132 ~

142 Θυρίστορ Το θυρίστορ ή ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου (Silicon Controlled Rectifier, SCR) είναι ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος. Διαχειρίζεται ισχύ από μερικές δεκάδες W έως μερικές εκατοντάδες MW. Η συχνότητα λειτουργίας του φθάνει μέχρι τα 2 με 3 khz. Πρόκειται για ένα στοιχείο τεσσάρων ημιαγωγικών στρώσεων PNPN. Οι ακροδέκτες του είναι: η άνοδος (anode), η κάθοδος (cathode) και η πύλη (gate). Δομή ενός θυρίστορ Η ροή του ρεύματος μεταξύ ανόδου και καθόδου γίνεται προς μια μόνο φορά, από την άνοδο προς την κάθοδο, εφόσον βέβαια το στοιχείο είναι ορθά πολωμένο. Η έναυση του στοιχείου επιτυγχάνεται μ έναν απλό θετικό παλμό χαμηλής ισχύος στην πύλη του. Η σβέση του στοιχείου απαιτεί τη μείωση του ρεύματος που το διαρρέει κάτω από μια ορισμένη τιμή, που ονομάζεται ρεύμα συγκράτησης (hold current). Τυπική στατική χαρακτηριστική θυρίστορ ~ 133 ~

143 GTO θυρίστορ Το στοιχείο αυτό σκανδαλίζεται και έρχεται σε αγωγή με έναν μικρό θετικό παλμό στην πύλη του όπως όλα τα θυρίστορ. Για να τεθεί σε κατάσταση αποκοπής απαιτείται ένας αρνητικός παλμός στο ηλεκτρόδιο της πύλης. Χρειάζεται όμως αρκετά μεγάλο αρνητικό ρεύμα πύλης για να σβήσει (περίπου ¼ του κύριου ρεύματος). Διατηρεί τη βασική δομή των τεσσάρων στρώσεων ενός θυρίστορ. Υπάρχουν όμως σημαντικές διαφορές όσον αφορά τη γεωμετρική μορφή των δομών πύλης καθόδου. Αυξάνεται η περιφέρεια των περιοχών καθόδου και ελαχιστοποιείται η απόσταση της πύλης από το κέντρο των περιοχών καθόδου. Δομή ενός GTO θυρίστορ Ο στόχος αυτής της πολύπλοκης δομής είναι διττός: Η διακοπή του φαινομένου της θετικής ανατροφοδότησης. Η επίτευξη υψηλών ταχυτήτων μετάβασης, υψηλών τάσεων διάτρησης και η διευκόλυνση της σύνδεσης των περιοχών καθόδου. Ο χρόνος σβέσης σε ένα GTO θυρίστορ εξαρτάται από: Το γεωμετρικό σχεδιασμό της περιοχής πύλης καθόδου. Το σχεδιασμό της ανόδου. Τον έλεγχο του χρόνου ζωής των φορέων φορτίου στην περιοχή N -, που έχει μεγάλο σχετικά εύρος. Λόγω του σχεδιασμού της ανόδου τα GTO θυρίστορ αυτής της δομής, δεν αντέχουν ανάστροφες τάσεις, όπως τα ασύμμετρα θυρίστορ. Κατά την ορθή πόλωση η χαρακτηριστική του GTO θυρίστορ είναι παρόμοια με αυτή ενός θυρίστορ. ~ 134 ~

144 Τυπική στατική χαρακτηριστική ενός GTO θυρίστορ Τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύματος των GTO θυρίστορ βρίσκονται μεταξύ των συμβατικών θυρίστορ και των διπολικών τρανζίστορ ισχύος. Η ισχύς που μπορούν να διαχειριστούν είναι μικρότερη από αυτή των θυρίστορ, αλλά μεγαλύτερη από αυτή των BJT. Οι χρόνοι μετάβασης, είναι μεγαλύτεροι από αυτούς των διπολικών τρανζίστορ ισχύος και μικρότεροι από αυτούς των συμβατικών θυρίστορ. Η σβέση ενός GTO θυρίστορ είναι μια πολύπλοκη διεργασία η οποία απαιτεί την ύπαρξη βοηθητικών κυκλωμάτων υποβοήθησης της σβέσης. Το ρεύμα εμφανίζει μια ουρά (tailing current) κατά τη σβέση, με αποτέλεσμα την αύξηση των διακοπτικών απωλειών. Η συχνότητα λειτουργίας του περιορίζεται στα 2 khz. BJT ισχύος Το τρανζίστορ ισχύος διπολικής επαφής ή διπολικό τρανζίστορ ισχύος (power Bipolar Junction Transistor, power BJT), είναι ένα ελεγχόμενο από ρεύμα ημιαγωγικό στοιχείο τριών ημιαγωγικών στρώσεων (δύο επαφών) και τριών ακροδεκτών. Το εύρος και η ειδική αντίσταση της ημιαγωγικής στρώσης Ν -, επονομαζόμενης και ως περιοχής μετατόπισης (drift region), καθορίζουν την τάση διάσπασης του τρανζίστορ σε ορθή πόλωση. Η δυνατότητα διαχείρισης ρεύματος στα διπολικά τρανζίστορ ισχύος μειώνεται όσο αυξάνεται η αντοχή σε τάση διάσπασης. ~ 135 ~

145 Δομή ενός (ΝΡΝ) BJT ισχύος Το BJT είναι ασύμμετρο στοιχείο. Δεν έχει την ικανότητα αντοχής σε ανάστροφες τάσεις λόγω του ποσοστού των προσμίξεων που είναι διαφορετικό σε κάθε ημιαγωγική περιοχή του στοιχείου. Η χρήση του σε μετατροπείς που τροφοδοτούνται από εναλλασσόμενη τάση απαιτεί τη χρησιμοποίηση μιας διόδου σε σειρά με το ελεγχόμενο στοιχείο ισχύος. Η αγωγή του ρεύματος επιτυγχάνεται οδηγώντας ρεύμα στη βάση του. Τυπική στατική χαρακτηριστική ενός BJT ισχύος ~ 136 ~

146 Το BJT παρουσιάζει μεγάλο χρόνο σβέσης, αυξημένη πτώση τάσης κατά την αγωγή με αποτέλεσμα τον περιορισμό της περιοχής ασφαλούς και αξιόπιστης λειτουργίας του. Η ασφαλής και αξιόπιστη λειτουργία των BJT ισχύος, απαιτεί τη χρήση κυκλωμάτων υποβοήθησης της σβέσης και προστασίας από υπερτάσεις, με αποτέλεσμα την αύξηση των διαστάσεων και του βάρους της διάταξης. Έχει πολύ χαμηλότερους χρόνους σβέσης από τα θυρίστορ, διότι παρέχεται η δυνατότητα σβέσης με έναν αρνητικό παλμό στο ηλεκτρόδιο πύλης. Η λειτουργία των BJT ισχύος οφείλεται στη ροή φορέων μειονότητας. MOSFET ισχύος Το MOSFET (τρανζίστορ μετάλλου οξειδίου ημιαγωγού με επίδραση πεδίου, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) είναι ένα ελεγχόμενο από τάση ημιαγωγικό στοιχείο τριών ακροδεκτών, την υποδοχή (drain), την πηγή (source) και την πύλη (gate). Η πύλη του, απομονώνεται από το αγώγιμο κανάλι με μονωτικό διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ) και ελέγχει τη ροή του ρεύματος μεταξύ υποδοχής και πηγής. Τα MOSFET πύκνωσης με κανάλι τύπου Ν -, χρησιμοποιούνται ευρύτερα λόγω του ότι οι τιμές ευκινησίας των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερες από αυτές των οπών. Δομή ενός MOSFET ισχύος με κανάλι τύπου Ν - Η ανάπτυξη δομών κατακόρυφης αγωγής ρεύματος, οδηγεί σε υψηλότερες τιμές τάσης διάσπασης και ονομαστικών ρευμάτων διέλευσης. Γεωμετρικά η υποδοχή βρίσκεται στην απέναντι πλευρά από αυτήν που είναι η πηγή και η πύλη. Η δομή ενός MOSFET ισχύος κατασκευάζεται εκκινώντας από μια περιοχή υψηλής νόθευσης N +, (το λεγόμενο υπόβαθρο ή υπόστρωμα), επί της οποίας αναπτύσσεται, με διαδικασία ~ 137 ~

147 επίταξης, μια περιοχή χαμηλής νόθευσης N -, την περιοχή μετατόπισης. Το πάχος της καθορίζει την τάση διάσπασης σε ορθή πόλωση. Τυπική στατική χαρακτηριστική ενός MOSFET ισχύος. Για να επιτευχθεί υψηλό ρεύμα διέλευσης, το MOSFET ισχύος αποτελείται από πολλές «κυψέλες», τοποθετημένες παράλληλα. Η πύλη του συμπεριφέρεται ως πυκνωτής, δηλαδή παρουσιάζει υψηλή εμπέδηση εισόδου. Η ισχύς που απαιτείται για τον έλεγχο του στοιχείου είναι εξαιρετικά χαμηλή. Στο MOSFET ισχύος η ροή του ρεύματος οφείλεται στη ροή φορέων πλειονότητας. Οι χρόνοι καθυστέρησης και μετάβασης από την αποκοπή στην αγωγή και τανάπαλιν είναι αρκετά χαμηλοί και δεν εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Οι συχνότητες λειτουργίας του είναι εξαιρετικά υψηλές. IGBT Το διπολικό τρανζίστορ ισχύος με απομονωμένη πύλη (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT), συνδυάζει τα χαρακτηριστικά ενός MOSFET και ενός BJT ισχύος. Έχει τρεις ακροδέκτες: το συλλέκτη (collector), τον εκπομπό (emitter) και την πύλη (gate). H δομή του είναι παρόμοια με αυτή του MOSFET ισχύος, με τη διαφορά ότι η περιοχή του υποστρώματος N +, που έρχεται σε επαφή με τον ακροδέκτη του συλλέκτη, έχει αντικατασταθεί από μια στρώση P +. Παρουσιάζει υψηλή εμπέδηση εισόδου, όπως το MOSFET ισχύος, αλλά τα χαρακτηριστικά αγωγής του μοιάζουν με αυτά ενός BJT ισχύος. Όταν η πύλη πολωθεί θετικά σε σχέση με τον εκπομπό, επάγεται ένα κανάλι τύπου Ν - στην επιφάνεια της περιοχής βάσης. ~ 138 ~

148 Δομή ενός IGBT Το κανάλι αυτό πολώνει ορθά την επαφή βάσης εκπομπού του PNP τρανζίστορ και το καθιστά αγώγιμο. Δημιουργείται λοιπόν μια σύνδεση μεταξύ της περιοχής του εκπομπού Ν + και της περιοχής μετατόπισης Ν -, όπως και στα MOSFET ισχύος. Η θετική πόλωση του συλλέκτη προκαλέι έγχυση μεγάλου αριθμού φορέων μειονότητας από την περιοχή του υποστρώματος P + προς την περιοχή μετατόπισης N -, διαμορφώνοντας την αγωγιμότητά της. Η πτώση τάσης κατά την αγωγή είναι πολύ μικρότερη από αυτή ενός MOSFET ισχύος. Η αντικατάσταση του υποστρώματος Ν +, ενός MOSFET ισχύος, από μια στρώση P +, οδηγεί σε μια δομή τεσσάρων στρώσεων P + NPN +, παρόμοια με αυτή ενός θυρίστορ. Όταν το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση R PL (εγκάρσια αντίσταση της περιοχής βάσης Ρ) ξεπεράσει μια ορισμένη τιμή, προκαλείται σκανδαλισμός του θυρίστορ, οπότε δημιουργείται μια μόνιμη αγωγή ρεύματος μεταξύ συλλέκτη και εκπομπού του στοιχείου και χάνεται ο έλεγχός του από την πύλη. Η απενεργοποίηση του IGBT μπορεί να επιτευχθεί ως εξής: 1. Με μείωση του μεγέθους του εκπομπού. 2. Με τη μεταβολή της γεωμετρικής μορφής και δομής της περιοχής του εκπομπού και την εφαρμογή πολυπλοκότερων γεωμετρικών μορφών. 3. Με την εισαγωγή μιας περιοχής υψηλής νόθευσης Ρ +, στο κέντρο κάθε κυψέλης MOSFET, ώστε να μειωθεί η εγκάρσια αντίσταση της περιοχής βάσης Ρ. Η επικάλυψη της επιφάνειας της περιοχής βάσης Ρ με την επιμετάλλωση του εκπομπού συνεισφέρει στο σκοπό αυτό. Επειδή το IGBT έχει ουσιαστικά ~ 139 ~

149 τέσσερις ημιαγωγικές στρώσεις είναι ικανό να αποκόπτει συμμετρικά τόσο θετικές όσο και αρνητικές τάσεις (συμμετρικά IGBT). H εισαγωγή μιας στρώσης υψηλής νόθευσης Ν +, μεταξύ υποστρώματος Ρ + και της περιοχής μετατόπισης Ν -, μειώνει την ικανότητα αποκοπής ανάστροφης τάσης (ασύμμετρα IGBT). H ροή ρεύματος οφείλεται στη ροή φορέων μειονότητας, οι οποίοι, κατά τη σβέση, επανασυνδέονται εντός της περιοχής μετατόπισης. Τυπική στατική χαρακτηριστική ενός IGBT Οι χρόνοι μετάβασης είναι μεγαλύτεροι από αυτούς των MOSFET ισχύος. Κατά τη σβέση παρατηρείται στην κυματομορφή του ρεύματος μια «ουρά», παρόμοια με αυτή των BJT ισχύος. ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΙΣΧΥΟΣ Ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής (soft starter) Ο ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής (soft starter) είναι μια απλή και φθηνή συσκευή ηλεκτρονικών ισχύος, που χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας, κατά τη διάρκεια της σύνδεσής τους στο δίκτυο. Η λειτουργία της βασίζεται στη μείωση των μεταβατικών ρευμάτων και κατ επέκταση στη μείωση των διαταραχών στο δίκτυο. Χωρίς την διάταξη ομαλής εκκίνησης, τα μεταβατικά ρεύματα (ρεύματα εισροής) μπορεί να είναι 7-8 φορές μεγαλύτερα του ονομαστικού ρεύματος, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει σοβαρές διαταραχές τάσης στο δίκτυο. Η διάταξη ομαλής εκκίνησης περιλαμβάνει δύο θυρίστορ, ως συσκευές μετατροπής σε κάθε φάση τα οποία συνδέονται αντιπαράλληλα σε κάθε φάση. Η ομαλή σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο, κατά τη διάρκεια ενός προκαθορισμένου αριθμού περιόδων δικτύου, επιτυγχάνεται προσαρμόζοντας τη γωνία έναυσης (α) των θυρίστορ. Η σχέση μεταξύ της γωνίας έναυσης (α) και της ενίσχυσης που θα παρέχει ~ 140 ~

150 ο ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής είναι εξαιρετικά μη γραμμική και είναι, επιπρόσθετα, μία συνάρτηση του συντελεστή ισχύος του συνδεδεμένου στοιχείου. Μετά το μεταβατικό στάδιο, τα θυρίστορ παρακάμπτονται, προκειμένου να μειωθούν οι απώλειες του συνολικού συστήματος. Συστοιχία πυκνωτών Η συστοιχία πυκνωτών χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας ή περιορισμένης μεταβλητής ταχύτητας. Ο ρόλος της είναι να προμηθεύει με άεργο ισχύ την επαγωγική γεννήτρια. Έτσι, η άεργος ισχύς, που απορροφά η γεννήτρια από το δίκτυο, ελαχιστοποιείται. Η τυχόν απορρόφηση αέργου ισχύος από το υπάρχον δίκτυο εξαναγκάζει την ανεμογεννήτρια να δουλεύει με χαμηλό συντελεστή ισχύος και μπορεί να οδηγήσει το δίκτυο σε αστάθεια (ειδικά εάν η ανεμογεννήτρια συνδέεται σε ασθενές δίκτυο). Γι αυτό το λόγο, στα αιολικά συστήματα, οι γεννήτριες μπορεί να διαθέτουν αντιστάθμιση αέργου ισχύος που εφαρμόζεται με δυναμικό τρόπο (δυναμική αντιστάθμιση πλήρους φορτίου), όπου ένας συγκεκριμένος αριθμός πυκνωτών συνδέεται ή αποσυνδέεται μέσω ηλεκτρονικών διακοπτών, ανάλογα με τη μέση ζήτηση σε άεργο ισχύ της γεννήτριας, σε μία προκαθορισμένη χρονική περίοδο. Οι συστοιχίες πυκνωτών είναι συνήθως τοποθετημένες στη βάση του πύργου ή στην άτρακτο. Υπάρχει βέβαια ο κίνδυνος οι πυκνωτές να υπερφορτιστούν και να καταστραφούν από κάποιες υπερτάσεις του δικτύου, με αποτέλεσμα να αυξάνεται το κόστος συντήρησης του συστήματος. Μετατροπείς ισχύος AC/DC Ανορθωτές και Αντιστροφείς Οι μετατροπείς ισχύος AC/DC είναι συσκευές και διατάξεις με ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος, διόδους, θυρίστορ ή τρανζίστορ ισχύος και διακρίνονται σε ανορθωτές (rectifiers - όταν μετατρέπουν το AC ρεύμα σε DC) ή αντιστροφείς (inverters - όταν μετατρέπουν το DC ρεύμα σε AC). Υπάρχουν διάφοροι τρόποι που μπορούν να συνδυαστούν ένας αντιστροφέας με έναν ανορθωτή σε έναν μετατροπέα συχνότητας. Σήμερα υπάρχουν διάφορες τεχνολογίες με της οποίες γίνεται αυτό, όπως διπλοί μετατροπείς με IGBT (back to back), πολλών επιπέδων (multilevel), μήτρας (matrix) κλπ. Δίοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για τη λειτουργία ανόρθωσης, ενώ ηλεκτρονικοί διακόπτες θυρίστορ ή τρανζίστορ μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο στη λειτουργία ανόρθωσης, όσο και στη λειτουργία αντιστροφής. Η πιο τυπική λύση ανορθωτή είναι η ανόρθωση με διόδους (μη ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος), εξαιτίας της απλότητάς της, του χαμηλού κόστους και των μικρών απωλειών. Είναι εκ φύσεως μη γραμμική και επομένως, παράγει αρμονικές ρεύματος. Ένα ακόμη μειονέκτημα είναι ότι επιτρέπει μόνο μίας κατεύθυνσης ροή ισχύος και επιπλέον, δεν μπορεί να ελέγξει την τάση και το ρεύμα της γεννήτριας. Για αυτό τον λόγο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο με μία γεννήτρια που μπορεί να ελέγξει την τάση και με έναν αντιστροφέα που μπορεί να ελέγξει το ρεύμα. Μια άλλη λύση ανορθωτή είναι μέσω χρήσης συμβατικών θυρίστορ ή μέσω GTO θυρίστορ (ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος). Έτσι, εξασφαλίζεται η δυνατότητα ελέγχου της DC τάσης εξόδου και επιπλέον υπάρχει η δυνατότητα αμφίδρομης ροής ισχύος μεταξύ της AC και της DC πλευράς. Μειονέκτημα αυτού του τύπου ανορθωτή αποτελούν οι υψηλές απώλειες, ιδίως στην περίπτωση χρήσης GTO θυρίστορ ως ημιαγωγικού στοιχείου ισχύος όπου είναι απαραίτητη η λειτουργία ~ 141 ~

151 ειδικού κυκλώματος σβέσης, το οποίο απαιτεί υψηλά ποσά ενέργειας για την σβέση του ημιαγωγικού στοιχείου. Τέλος, παράγονται υψηλές αρμονικές και υπάρχει παραμόρφωση των ρευμάτων του δικτύου. Ο αντιστροφέας με θυρίστορ (μεταγωγή δικτύου) είναι μία φθηνή λύση αντιστροφέα, με χαμηλές απώλειες και πρέπει να είναι συνδεδεμένος σε ισχυρή AC πηγή (π.χ. το δίκτυο), για να μπορέσει να λειτουργήσει. Ένας μεγάλο μειονέκτημά του είναι ότι καταναλώνει άεργο ισχύ και παράγει αρμονικές. Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις για ποιοτική ενέργεια κάνουν τους αντιστροφείς με θυρίστορ λιγότερο ελκυστικούς σε σχέση με τους αντιστροφείς αυτόμεταγωγής (που έχουν ως στοιχεία GTO και IGBT). Το πλεονέκτημα ενός GTO σε σχέση με το IGBT είναι ότι μπορεί να χειριστεί περισσότερη ισχύ μεγαλύτερα ποσά ενέργειας, αλλά αυτό το χαρακτηριστικό έχει ξεπεραστεί, εξαιτίας της γρήγορης ανάπτυξης των IGBT. Έτσι παραμένει το μειονέκτημα των GTO, που είναι ότι το κύκλωμα ελέγχου τους είναι πιο πολύπλοκο. Η γεννήτρια και ο ανορθωτής πρέπει να επιλεγούν ως ένας συνδυασμός, ενώ ο αντιστροφέας μπορεί να επιλεγεί σχεδόν ανεξάρτητα από τη γεννήτρια και τον αντιστροφέα. Ένας ανορθωτής με διόδους ή με θυρίστορ μπορεί να χρησιμοποιηθεί μαζί μόνο με μία σύγχρονη γεννήτρια, μιας και δεν απαιτεί άεργο ρεύμα μαγνήτισης. Σε αντίθεση με αυτό, οι ανορθωτές με GTO και με IGBT πρέπει να συνδυάζονται μαζί με επαγωγικές γεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας, επειδή έχουν τη δυνατότητα να ελέγχουν την άεργο ισχύ. Όμως, παρόλο που τα IGBT είναι μία πολύ ελκυστική επιλογή, έχουν τα μειονεκτήματα του υψηλού κόστους και των μεγάλων απωλειών. Η σύγχρονη γεννήτρια με έναν ανορθωτή διόδων για παράδειγμα, έχει πολύ λιγότερο συνολικό κόστος, από την ισοδύναμη επαγωγική γεννήτρια με έναν αντιστροφέα ή ανορθωτή με IGBT. Μετατροπείς συχνότητας (frequency converters) Ένας παραδοσιακός μετατροπέας συχνότητας, επίσης καλούμενος και ως μονάδα προσαρμογής ταχύτητας, αποτελείται από: Έναν ανορθωτή (AC - DC μονάδα μετατροπής), που μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές, ενώ διευκολύνει και τη ροή ενέργειας στην DC πλευρά. Στις περισσότερες εφαρμογές η ισχύς εισόδου προέρχεται από την AC τάση του ηλεκτρικού δικτύου (με συχνότητα 50Hz ή 60Hz) και είναι αναγκαία η μετατροπή της σε DC τάση, έτσι ώστε να χρησιμοποιηθεί μετέπειτα σε διάφορες εφαρμογές. Μία συσκευή αποθήκευσης ενέργειας (πυκνωτές) Έναν αντιστροφέα (DC - AC μονάδα μετατροπής με ελεγχόμενη συχνότητα και τάση), που μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο, ενώ διευκολύνει και τη ροή ενέργειας στην AC πλευρά. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές τοπολογίες μετατροπέων συχνότητας που μπορούν να εφαρμοστούν στις ανεμογεννήτριες και οι οποίες είναι οι εξής: Διπλοί μετατροπείς με IGBT (back to back converters) Πολυεπίπεδοι μετατροπείς (multilevel converters) Παράλληλοι μετατατροπείς (tandem converters) Μετατροπείς μήτρας (matrix converters) Μετατροπείς αντηχείου (resonant converters) Μετατροπείς συντονισμού (resonant converters) ~ 142 ~

152 Από τις διάφορες τοπολογίες που υπάρχουν στις μέρες μας, για τριφασικούς μετατροπείς συχνότητας στις ανεμογεννήτριες, έχει αποδειχθεί ότι οι διπλοί μετατροπείς ισχύος AC/DC/AC με IGBT (back to back), έχουν την καλύτερη εφαρμογή. Ένας μετατροπέας back to back λοιπόν, είναι ένας αμφίδρομος, σε σχέση με την ενέργεια, μετατροπέας ισχύος, που αποτελείται από δύο συμβατικούς μετατροπείς πηγής τάσης (VSC) με IGBT και διαμόρφωση στην παλμοδότηση (PWM) που συνδέονται μεταξύ τους μέσω μιας DC διασύνδεσης που ουσιαστικά είναι ένας μεγάλος πυκνωτής. Διπλός AC/DC/AC μετατροπέας ισχύος (back to back). O back to back μετατροπέας παρουσιάζει διακοπτικές απώλειες στα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος (IGBT), λόγω της μεγάλης διακοπτικής συχνότητας που εφαρμόζεται (οι διακοπτικές απώλειες αυξάνονται όσο αυξάνεται η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας). Ωστόσο, αυξάνει σημαντικά την τάξη των αρμονικών της τάσης εξόδου του με αποτέλεσμα να μειώνεται η επίδρασή τους. Για τη μείωση των διακοπτικών απωλειών μπορούν να χρησιμοποιηθούν εν σειρά κυκλώματα Snubber. Τα κυκλώματα αυτά, δεν αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα της βασικής τοπολογίας ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, αλλά είναι μια προσθήκη, συχνά απαραίτητη, για την καταστολή των ηλεκτρικών καταπονήσεων που υφίστανται τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος του μετατροπέα κατά τη διάρκεια των μεταβάσεων. Μέσω της βέλτιστης επιλογής τόσο του πυκνωτή όσο και της αντίστασης του Snubber μπορούμε να μειώσουμε τις διακοπτικές απώλειες στην ονομαστική κατάσταση λειτουργίας (στη βέλτιστη περίπτωση μπορούμε να έχουμε συνολικές απώλειες περίπου στα 4/9 των διακοπτικών απωλειών πριν από την εφαρμογή του κυκλώματος Snubber). Η αρχή λειτουργίας του PWM διαμορφωτή στηρίζεται στη σύγκριση ενός τριγωνικού «φέροντος σήματος» υψηλής συχνότητας V c (συνήθως 5 έως 10 khz) με ένα «ημιτονοειδές» σήμα αναφορά V r συχνότητας ίσης με τη συχνότητα τάσης της οποία θέλουμε στην έξοδο. Όταν η στιγμιαία τιμή του V r είναι μεγαλύτερη του V c, η έξοδος του συγκριτή είναι θετικός παλμός ενώ στην αντίθετη περίπτωση είναι αρνητικός παλμός. Μέσω του ημιτονοειδούς σήματος αναφοράς ελέγχεται το πλάτος και η συχνότητα του σήματος εξόδου του διαμορφωτή. Αυξομειώνοντας το πλάτος του σήματος V r, ρυθμίζεται η διάρκεια των παλμών εξόδου του διαμορφωτή και έτσι ελέγχεται το πλάτος της θεμελιώδους αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, ενώ μεταβάλλοντας τη συχνότητα του V r, ρυθμίζεται η συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Η τεχνική αυτή, με την οποία επιτυγχάνεται ο έλεγχος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου, μέσω της αυξομείωσης του εύρους των παλμών της τάσης εξόδου, ονομάζεται διαμόρφωση εύρους παλμών (Pulse Width Modulation, PWM). Εάν επιθυμούμε να πάρουμε μια τάση στην έξοδο, που να πλησιάζει όσο το δυνατόν περισσότερο το ημίτονο, δεν έχουμε παρά να μεταβάλουμε με ημιτονοειδή τρόπο το εύρος των παλμών (Sinusoidal PWM, SPWM). Η μέθοδος ~ 143 ~

153 με την οποία μπορούμε να επιτύχουμε παραγωγή παλμών SPWM παρουσιάζεται στη συνέχεια. Μέθοδος παραγωγής παλμών τύπου SPWM Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, δημιουργούμε μια ημιτονοειδή κυματομορφή η οποία ονομάζεται κυματομορφή αναφοράς και μια τριγωνική κυματομορφή η οποία ονομάζεται κυματομορφή φορέα. Στη συνέχεια οι δύο παραπάνω κυματομορφές συγκρίνονται μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης είναι μια λογική στάθμη 0, όταν το τρίγωνο είναι μεγαλύτερο του ημιτόνου και μια λογική στάθμη 1, όταν συμβαίνει το αντίθετο. Όπως διαπιστώνεται και από το σχήμα, το αποτέλεσμα της σύγκρισης εξαρτάται από τα σημεία τομής των δύο κυματομορφών. Λαμβάνοντας υπόψη τους ακόλουθους ορισμούς: Α sin = το πλάτος της κυματομορφής αναφοράς Α tri = το πλάτος της κυματομορφής φορέα F sin = η συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς F tri = η συχνότητα της κυματομορφής φορέα Μ Α = ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους Μ F = ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας Όπου: Μ Α = και Μ F = μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι αυξομειώνοντας το συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους M A (από 0 έως 1) μεταβάλλεται το εύρος των παλμών της κυματομορφής που προκύπτει από τη σύγκριση. Η διακοπτική συχνότητα της κυματομορφής PWM είναι ίση με F tri. Κάνοντας ανάλυση Fourier στην κυματομορφή που προκύπτει από την παραπάνω σύγκριση, διαπιστώνουμε ότι η βασική της αρμονική έχει συχνότητα F sin (τη συχνότητα κυματομορφής αναφοράς) και πλάτος ανάλογο του M A (του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους). Οι ανώτερες αρμονικές μπορούν να ομαδοποιηθούν σε ζώνες συχνοτήτων, γύρω από τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας του τριγώνου. Πιο συγκεκριμένα ~ 144 ~

154 η πρώτη ομάδα περιέχει μια κεντρική αρμονική σε συχνότητα F tri καθώς επίσης και ένα σύνολο αρμονικών δεξιά και αριστερά της συχνότητας αυτής που δίνονται από τη σχέση: F v = F tri ± 2 n F sin Στη δεύτερη ομάδα, δεν περιέχεται η κεντρική αρμονική σε συχνότητα 2 F tri αλλά ένα σύνολο αρμονικών που δίνονται από τη σχέση: F v = 2 F tri ± (2 (n 1)) F sin Για την τρίτη ομάδα ισχύει ότι και στην πρώτη, μόνο που η κεντρική αρμονική είναι σε συχνότητα 3 F tri. Στην τέταρτη ομάδα ισχύει ότι και για την δεύτερη περίπτωση, αλλά με κεντρική συχνότητα 4 F tri. Η συλλογιστική αυτή ισχύει και για τις υπόλοιπες ομάδες ανωτέρων αρμονικών, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Αρμονικό περιεχόμενο ημιτονοειδούς PWM Ως γενικό συμπέρασμα μπορούμε να πούμε, πως ανώτερες αρμονικές εμφανίζονται σε συχνότητες που ακολουθούν τη σχέση: F v = n F tri ± k F sin όπου n = 1, 2, 3 και k = 1, 3, 5 εάν n = άρτιος ή k = 2, 4, 6 εάν n = περιττός Όπως βλέπουμε, υπάρχουν αρμονικές σε συχνότητες πολλαπλάσιες της συχνότητας παλμοδότησης, οι οποίες ανάλογα με τη διακοπτική συχνότητα είναι δυνατόν να δημιουργήσουν ακουστικούς θορύβους ή ανεπιθύμητες παρεμβολές σε παρακείμενες συσκευές. Για να παλμοδοτήσουμε έναν τριφασικό αντιστροφές τάσης δημιουργούμε τρία ημίτονα αναφοράς (ένα για κάθε φάση) με διαφορά φάσης 120 μεταξύ τους, τα οποία συγκρινόμενα με την ίδια τριγωνική κυματομορφή. Όπως προκύπτει από την ανάλυση Fourier, η ενεργός τιμή της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης συναρτήσει της συνεχούς τάσης εισόδου είναι: V o,rms = 0,61 V dc M A ~ 145 ~

155 Κυματομορφές τάσης στην έξοδο του τριφασικού αντιστροφέα τάσης με παλμοδότηση SPWM Ένα βασικό πρόβλημα που εμφανίζουν οι αντιστροφείς τάσης, είναι η ατελής εκμετάλλευση της τάσης εισόδου, φαινόμενο που παρουσιάζεται τόσο στους μονοφασικούς όσο και στους τριφασικούς μετατροπείς. Πράγματι, ένας αντιστροφέας αυτής της μορφής, τροφοδοτούμενος από το δίκτυο των 380V φτάνει σε υπερδιαμόρφωση από τα 315V και πάνω, αποκτώντας μη γραμμική χαρακτηριστική και χειρότερο αρμονικό περιεχόμενο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού έχουν προταθεί διάφορες λύσεις, τις οποίες θα αναλύσουμε στη συνέχεια. Τέλος, πρέπει να αναφέρουμε ότι υπάρχουν δύο είδη ημιτονοειδούς PWM, η ασύγχρονη και η σύγχρονη PWM. Στην ασύγχρονη PWM, επιλέγεται αρχικά μια συχνότητα φορέα (συχνότητα τριγώνου) και παραμένει σταθερή, καθώς η συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς (συχνότητα ημιτόνου μεταβάλλεται). Στη σύγχρονη PWΜ επιλέγεται αρχικά ένας λόγος διαμόρφωσης συχνότητας (M F ), ο οποίος διατηρείται σταθερός καθώς η συχνότητα αναφοράς μεταβάλλεται. Αυτό ουσιαστικά σημαίνει πως η συχνότητα του φορέα πρέπει να μεταβάλλεται μαζί με τη συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς. Η μέθοδος της σύγχρονης SPWM είναι χρήσιμη, διότι αποκλείει την εμφάνιση υποαρμονικών (αρμονικές σε συχνότητες κάτω από τη συχνότητα της βασικής). Ωστόσο, η χρησιμοποίησή της έχει νόημα, μόνο όταν η συχνότητα του φορέα είναι μικρή (κάτω του 1kHz). Αντίθετα, όταν η F tri είναι αρκετά υψηλή (ή για την ακρίβεια όταν F tri >> F sin ) τότε δεν προκύπτει πρόβλημα υποαρμονικών αφού το πλάτος των υψηλών αρμονικών που πλησιάζουν τη βασική είναι τόσο μικρό που πρακτικά θεωρείται μηδενικό. Στην παράγραφο αυτή θα αναφέρουμε νέες μεθόδους διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (PWM), οι οποίες έχουν ως βάση την κλασική SPWM και προσδίδουν βελτιωμένα χαρακτηριστικά, κυρίως όσον αφορά το αρμονικό ~ 146 ~

156 περιεχόμενο που παρουσιάζουν. Πιο συγκεκριμένα, αυτές οι μέθοδοι έχουν ως στόχο την αύξηση του πλάτους της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης και παράλληλα τη μείωση του πλάτους των ανώτερων αρμονικών. Συνήθως το μόνο που αλλάζει, σε σχέση πάντα με την κλασική μέθοδο, είναι η κυματομορφή αναφοράς, ενώ η υπόλοιπη λογική παραμένει ίδια. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν τεχνικές με ημίτονα αναφοράς εμπλουτισμένα σε ανώτερες αρμονικές 3ν τάξης, με τις οποίες είναι δυνατή η δημιουργία τάσεων εξόδου ενεργού τιμής όσο και της τάσης εισόδου. Αξίζει εδώ να αναφέρουμε ότι οι σκόπιμα δημιουργηθείσες επιπλέον αρμονικές 3ν τάξης στην έξοδο, αλληλοαναιρούνται και δεν επηρεάζουν καθόλου τη λειτουργία των αντιστροφέων ούτε και το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος. Μέθοδος HIPWM Η πρώτη μέθοδος ονομάζεται PWM Τεχνική Έγχυσης Αρμονικών (Harmonic Injection PWM Technique HIPWM) και φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. PWM Τεχνική Έγχυσης Αρμονικών (HIPWM) SPWM Αυτή η μέθοδος προκύπτει από την κλασική SPWM, εισάγοντας στην κυματομορφή αναφοράς αρμονικές, των οποίων οι συχνότητες είναι τριπλά πολλαπλάσια της βασικής αρμονικής. Το αποτέλεσμα είναι μια ημιτονοειδής κυματομορφή με σχεδόν επίπεδη κορυφή, η οποία όταν εφαρμοστεί, επιτρέπει υπερδιαμόρφωση (σε σχέση με την κλασική μέθοδο) και βελτιώνει το αρμονικό περιεχόμενο της πολικής τάσης. Συγκεντρωτικά τα χαρακτηριστικά της είναι τα εξής: A. Η αναλυτική έκφραση της κυματομορφής αναφοράς είναι: y = 1,15 sin(ωt) + 0,27 sin(3ωt) 0,029 sin(9ωt) ~ 147 ~

157 B. Το πλάτος της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης είναι ίσο με 1, ενώ για την SPWM είναι 0,87. Δεύτερη μέθοδος Η δεύτερη μέθοδος, που δεν αναφέρεται στη βιβλιογραφία με κάποιο συγκεκριμένο όνομα, παρουσιάζει πλεονεκτήματα. Για να έχουμε ημιτονοειδή πολική τάση δεν είναι απαραίτητο η κάθε φασική να είναι ημιτονοειδής κυματομορφή. Στην κυματομορφή αναφοράς για ένα τριφασικό αντιστροφέα μπορούν να προστεθούν 3Ν πλάσιες αρμονικές στην κλασική τριφασική ημιτονοειδή κυμαρομορφή. Χρησιμοποιώντας τη νέα αυτή κυματομορφή αναφοράς, οι πολικές τάσεις του αντιστροφέα γίνονται ημιτονοειδείς PWM κυματομορφές, το πλάτος της βασικής αρμονικής αυξάνεται κατά 15% σε σχέση με την κλασική μέθοδο και ο αριθμός των μεταβάσεων του αντιστροφέα (έναυση σβέση) μειώνεται κατά δύο τρίτα σε σχέση με την SPWM. Τα παραπάνω σημαίνουν ότι η πηγή τροφοδοσίας χρησιμοποιείται αποτελεσματικότερα και ότι μειώνονται οι διακοπτικές απώλειες, πράγμα που σημαίνει μείωση της θερμότητας των ημιαγωγικών στοιχείων. Το τελευταίο συμπέρασμα είναι πολύ σημαντικό, ιδίως όταν θέλουμε να έχουμε υψηλή συχνότητα φορέα, γιατί με αυτό τον τρόπο καταπονούμε λιγότερο τα στοιχεία μας. Η αναλυτική έκφραση της νέας κυματομορφής αναφοράς είναι η εξής: sin(ωt), 0 < ωt < 120 y = sin(ωt - 60 ), 120 < ωt < 240 0, 240 < ωt < 360 Το παρακάτω σχήμα παρουσιάζει το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης της κλασικής ημιτονοειδούς PWM, και των δύο βελτιωμένων μεθόδων. Δεύτερη βελτιωμένη μέθοδος PWM για τριφασικό αντιστροφέα Από τα τρία σχήματα παρατηρούμε ότι και οι τρεις μέθοδοι έχουν εξίσου καλό αρμονικό περιεχόμενο. Συγκρίνοντας όμως τα μέγιστα πλάτη της κάθε ομάδας αρμονικών για τις τρεις μεθόδους παρατηρούμε την ανωτερότητα της HIPWM. Η ~ 148 ~

158 μέθοδος αυτή μας δίνει και μεγαλύτερο πλάτος της βασικής αρμονικής, αλλά και μικρότερο πλάτος για τις αρμονικές των δύο ανώτερων ομάδων. Ο μετατροπέας αυτός μπορεί να δουλέψει και με την τεχνική του ελέγχου ρεύματος σε βρόχο υστέρησης. Σ αυτόν εφαρμόζεται PWM διαμόρφωση τάσης αλλά ελέγχεται η κυματομορφή του ρεύματος, ώστε η έξοδος να είναι ένα ημιτονοειδές ρεύμα επιθυμητού πλάτους και συχνότητας. Έτσι, ο αντιστροφέας συμπεριφέρεται ως πηγή ρεύματος, παρόλο που η τοπολογία του κυκλώματος ισχύος είναι ίδια με του αντιστροφέα πηγής τάσης. Η αρχή λειτουργίας της τεχνικής διαμόρφωσης PWM με έλεγχο ρεύματος σε βρόχο υστέρησης είναι η εξής: το στιγμιαίο ρεύμα ανάδρασης κάθε φάσης συγκρίνεται με το αντίστοιχο ημιτονοειδές σήμα αναφοράς, ώστε η κυματομορφή του ρεύματος εξόδου να βρίσκεται πάντοτε μέσα στο εύρος υστέρησης που ορίζεται από το ανώτερο και κατώτερο όριο σφάλματος. Επειδή ελέγχεται η στιγμιαία τιμή του ρεύματος, η τεχνική PWM ελέγχου ρεύματος σε βρόχο υστέρησης χρησιμοποιείται σε συστήματα οδήγησης βασισμένα σε λογικές διανυσματικού ελέγχου. Η βασική σχέση που συνδέει την AC με την DC τάση στις δύο πλευρές του μετατροπέα σε σχέση προς το m, το λόγο του σήματος αναφοράς προς το πλάτος του φέροντος σήματος είναι: V s V V m 2 όπου s είναι το πλάτος της ημιτονοειδούς εξόδου και V dc είναι η DC τάση εξόδου. H τάση της DC διασύνδεσης ορίζεται σε ένα υψηλότερο επίπεδο από το πλάτος της τάσης από γραμμή σε γραμμή του δικτύου (φασικής τάσης), προκειμένου να επιτευχθεί πλήρης έλεγχο του ρεύματος του δικτύου. Η εμφάνιση της ενίσχυσης της αυτεπαγωγής μειώνει τις απαιτήσεις στο φίλτρο αρμονικών εισόδου και προσφέρει κάποια προστασία για τον μετατροπέα, ενάντια στις μεταβατικές συνθήκες του δίκτυου. Ο πυκνωτής ανάμεσα στον αντιστροφέα και τον ανορθωτή κάνει εφικτή την πλήρη αποσύζευξη του ελέγχου των δύο μετατροπέων, επιτρέποντας την ανεξάρτητη ρύθμιση στην πλευρά της γεννήτριας και στην πλευρά του δικτύου. Η ροή ισχύος στο μετατροπέα στην πλευρά δικτύου ελέγχεται, προκειμένου να διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή (τάση της DC διασύνδεσης) ενώ ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας εφαρμόζεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να εξυπηρετεί τις ανάγκες μαγνήτισης και να οδηγεί κάθε φορά στην επιθυμητή ταχύτητα του ρότορα. Μελέτες έχουν δείξει ότι η παρουσία του πυκνωτή στην DC διασύνδεση σε έναν back to back μετατροπέα μειώνει τη συνολική διάρκεια ζωής και την απόδοση του συστήματος, συγκριτικά με έναν μετατροπέα χωρίς πυκνωτή DC διασύνδεσης, όπως ο μετατροπέας τύπου μήτρας (matrix). Ωστόσο, η προστασία του μετατροπέα τύπου μήτρας σε περίπτωση σφάλματος δεν είναι εξίσου καλή όπως αυτή του μετατροπέα back to back. Ένα ακόμα μειονεκτήματα του μετατροπέα τύπου μήτρας σε σχέση με τον μετατροπέα back to back είναι οι υψηλότερες διακοπτικές απώλειες και ο περιορισμός της τάσης εξόδου του μετατροπέα. dc ~ 149 ~

159 ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΙΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Είναι γεγονός ότι εφόσον οι ανεμογεννήτριες συνδέονται στο δίκτυο αλληλεπιδρούν μ αυτό και το επηρεάζουν, καθώς οι αλλαγές στην ταχύτητα του ανέμου προκαλούν αλλαγές στην παραγόμενη ενέργεια της ανεμογεννήτριας. Έτσι, με σκοπό τη βελτίωση της παραγόμενης ισχύος, την ευστάθεια και την απόδοση του συστήματος εφαρμόζεται έλεγχος των μηχανικών και των ηλεκτρικών μερών στις ανεμογεννήτριες. Ηλεκτρονικός Έλεγχος Ισχύος Ο ηλεκτρονικός έλεγχος ισχύος, ο οποίος χρησιμοποιείται αποκλειστικά σε ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας, εφαρμόζεται μέσω των διατάξεων και συσκευών που περιγράφησαν παραπάνω και χρησιμοποιούν στη δομή τους ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος. Έτσι, με την ενσωμάτωση τεχνολογιών ηλεκτρονικών ισχύος σε αιολικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας δίνεται η δυνατότητα αύξησης της συνολικής αποδοτικότητας των συστημάτων καθώς και η ομαλότερη ένταξή τους στο ηλεκτρικό δίκτυο και η βέλτιστη συνεργασία τους μ αυτό. Μηχανικός Έλεγχος Όλες οι ανεμογεννήτριες, ακόμα και οι σταθερής ταχύτητας, σχεδιάζονται να έχουν κάποιου είδους έλεγχο ισχύος. Ο πιο πρώιμος έλεγχος ισχύος είναι ο μηχανικός έλεγχος που εφαρμόζεται στα πτερύγια του ανεμοκινητήρα. Διάφοροι μηχανικοί τρόποι έχουν εφαρμοστεί που περιορίζουν τις αεροδυναμικές δυνάμεις στο δρομέα, στις υψηλές τιμές ταχύτητας έτσι ώστε να μην υπάρξουν ζημιές στον ανεμοκινητήρα. Οι ανεμογεννήτριες είναι κατασκευασμένες να παράγουν ενέργεια με όσο το δυνατό μικρότερο κόστος. Έτσι, οι ανεμογεννήτριες είναι σχεδιασμένες να αποδίδουν το μέγιστο της ενέργειας που μπορούν, σε ταχύτητες ανάμεσα στα 12m/s με 15m/s. Δεν υπάρχει κανένας λόγος να σχεδιάζει κάποιος ανεμογεννήτριες που αποδίδουν τη μέγιστη ενέργειά τους σε ταχύτητες μεγαλύτερες από τις προαναφερθείσες μιας και τόσο δυνατοί άνεμοι είναι πολύ σπάνιοι. Σε περίπτωση που υπάρχουν τόσο δυνατοί άνεμοι είναι πάγια τακτική να «θυσιάζεται» η παραπάνω ενέργεια που θα μπορούσε να παραχθεί, προκειμένου να μην πάθει κάποια ζημιά και να καταστραφεί η ανεμογεννήτρια. Για το λόγο αυτό, όλες οι ανεμογεννήτριες κατασκευάζονται ώστε κατ αρχήν να λειτουργούν με ασφάλεια στις μεγαλύτερες ταχύτητες ανέμου που τυχόν θα εμφανιστούν. Για να επιτευχθεί αυτό, χρησιμοποιούνται τα παρακάτω είδη ελέγχου: Έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίων - pitch control Ο έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίων (ενεργός έλεγχος) αποτελεί έναν δημοφιλή τρόπο ελέγχου, στον οποίο τα πτερύγια μπορούν να στραφούν είτε ενάντια, είτε προς τη διεύθυνση του ανέμου, ανάλογα με το αν η παραγόμενη ενέργεια είναι πολύ μεγάλη ή πολύ μικρή, αντίστοιχα. Τα πλεονεκτήματα αυτού του τρόπου ελέγχου είναι ότι προσφέρει καλό έλεγχο της ισχύος, βοήθεια κατά την εκκίνηση και σχεδόν άμεση διακοπή λειτουργίας αν υπάρξει ανάγκη. Από ηλεκτρική άποψη, καλός ~ 150 ~

160 έλεγχος της ισχύος σημαίνει ότι σε υψηλές ταχύτητες η πραγματική παραγόμενη ισχύς είναι η βέλτιστη και βρίσκεται πλησιέστερα στην ονομαστική τιμή της γεννήτριας. Μερικά από τα μειονεκτήματα είναι η πολυπλοκότητα που εισάγει ο μηχανισμός των στρεφόμενων πτερυγίων και ο επιπλέον αναταράξεις που υπάρχουν σε μεγάλες τιμές ταχύτητας του αέρα. Η στιγμιαία ισχύς, εξαιτίας των ριπών του ανέμου και της περιορισμένης ταχύτητας περιστροφής των πτερυγίων, κυμαίνεται γύρω από τη μέση τιμή της. Στις ανεμογεννήτριες που έχουν έλεγχο της γωνίας βήματος πτερυγίων, τα πτερύγια θα πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται, περιστρέφοντας όλο ή μέρος κάθε πτερυγίου γύρω από τον άξονά τους, στην κατεύθυνση η οποία μειώνει τη γωνία πρόσπτωσης και άρα το συντελεστή άντωσης, μια διαδικασία γνωστή σαν βήμα πτέρωσης (pitch feathering). Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η διαδικασία. Γωνία βήματος πτερυγίου Όταν η παραγωγή ενέργειας γίνεται πολύ μεγάλη, ο μηχανισμός ελέγχου της γωνίας των πτερυγίων αρχίζει να στρίβει σιγά σιγά τα πτερύγια έτσι ώστε να μειώνεται ο άνεμος που προσπίπτει πάνω τους. Προφανώς τα πτερύγια ξαναστρίβουν όταν πέσει η ένταση του ανέμου προκειμένου να έχουμε μεγαλύτερη πρόσπτωσή του πάνω τους ώστε εν τέλει να υπάρχει μεγαλύτερη παραγωγή ενέργειας. Ο μηχανισμός του ελέγχου βήματος πτερυγίου χρησιμοποιείται με τη χρήση υδραυλικών ή και ηλεκτρικών ενεργοποιητών. Με την εφαρμογή του ελέγχου γωνίας βήματος πτερυγίου, σε μια ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας, μια μικρή μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου από την ονομαστική, θα δημιουργήσει μια αρκετά μεγαλύτερη μεταβολή στην ~ 151 ~

161 παραγόμενη ισχύ. Επιπλέον, λόγω της αδράνειας του συστήματος περιστροφής των πτερυγίων, ο χρόνος που απαιτείται για τη στροφή των πτερυγίων στην επιθυμητή γωνία και που τελικά οδηγεί στη μείωση της μηχανικής ισχύος είναι αρκετά μεγάλος. Έτσι, οι προαναφερθείσες μεταβολές θα περάσουν στο δίκτυο δημιουργώντας παράλληλα προβλήματα στην ευστάθειά του, ιδίως σε ασθενή δίκτυα. Στην περίπτωση μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητής ταχύτητας οι διαταραχές που προέρχονται από τη μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου μπορούν να απαλειφθούν με αλλαγή της αποθηκευμένης ενέργειας στο ρότορα, δηλαδή μέσω προσαρμογής της ταχύτητας του ρότορα. Έτσι, ο ρότορας λειτουργεί πλέον σαν ένα ενεργό χαμηλοπερατό φίλτρο για διαταραχές της ταχύτητας και κατ επέκταση της ενέργειας. Επιπλέον, με τη χρήση του ελέγχου βήματος πτερυγίου στις ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας έχουμε μικρότερες ασκούμενες δυνάμεις και πιέσεις στην ανεμογεννήτρια. Για όλες τις ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας, σε μικρές ή μεσαίες ταχύτητες ανέμου, ο έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίου είναι εκείνος που βελτιστοποιεί την λειτουργία της ανεμογεννήτριας όσον αφορά στη μέγιστη απόδοση ισχύος από τον εισερχόμενο αέρα. Σε μεγαλύτερες τιμές ταχύτητας του ανέμου ο έλεγχος της γωνίας βήματος πτερυγίου διατηρεί την ανεμογεννήτρια στα μέγιστα όρια λειτουργία της. Η βελτιστοποίηση που επιτυγχάνεται από τον έλεγχο της γωνίας βήματος, μπορεί να αυξήσει τη συνολικά αποδιδόμενη ενέργεια έως και 2% σε ετήσια βάση. Στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας, η γωνία κλίσης των πτερυγίων τίθεται στις 0 όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι μικρότερη της ονομαστικής. Σε ισχυρούς ανέμους η γωνία κλίσης των πτερυγίων για τη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας είναι μεγαλύτερη του μηδενός και αυξάνεται με την αύξηση της έντασης του ανέμου. Στην περιοχή αυτή στηρίζεται η κύρια χρησιμότητα του συγκεκριμένου ελέγχου, μιας και η εφαρμογή που επιβάλει στην ανεμογεννήτρια την παραγωγή της ονομαστικής της ισχύος, παρά το γεγονός ότι οι ταχύτητες του ανέμου είναι μεγαλύτερες από την ονομαστική. Διάγραμμα της γωνίας βήματος (γωνίας κλίσης) σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου για μια ανεμογεννήτρια 2MW Αυτή η καμπύλη για τη μόνιμη κατάσταση δίνει τη βέλτιστη γωνία κλίσης β opt. Από το παραπάνω διάγραμμα είναι εύκολο να οριστεί η γωνία κλίσης αναφοράς β ref για το δυναμικό έλεγχο της γωνίας βήματος. Η πραγματική τιμή της γωνίας β συγκρίνεται με την τιμή αναφοράς της γωνίας κλίσης μέσω των ΡΙ ελεγκτών. ~ 152 ~

162 Θεωρητικά, η τιμή για τη γωνία κλίσης μπορεί να παίρνει τιμές ανάμεσα σε ένα εύρος από τη βέλτιστη τιμή β opt = 0 μέχρι τη μέγιστη κλίση β max = 90. Ο ελεγκτής ρυθμίζει δυναμικά τη γωνία κλίσης β ούτως ώστε να φτάσει στην τιμή αναφοράς β ref. Μια άλλη τεχνική που εφαρμόζεται για τον έλεγχο της γωνίας βήματος, γίνεται μετά από σύγκριση της ταχύτητας της γεννήτριας με την ονομαστική της τιμή. Ο έλεγχος της γωνίας βήματος σε αυτή την περίπτωση πραγματοποιείται μέσω ενός απλού αναλογικού ολοκληρωτικού (ΡΙ) ελεγκτή. Έλεγχος γωνίας βήματος Προκειμένου να έχουμε μια ρεαλιστική απόκριση στο σύστημα ελέγχου της γωνίας βήματος, ο σερβομηχανισμός χρησιμοποιεί τη σταθερά χρόνου Τ servo και περιοριστές και για τη γωνία βήματος (από 0 έως 30 ) αλλά και για τον ρυθμό μεταβολής της ( ± 10 /s). Η αναφορά της γωνίας βήματος β ref συγκρίνεται με την πραγματική γωνία βήματος β και στη συνέχεια το σφάλμα διορθώνεται μέσω του σερβομηχανισμού, όπως φαίνεται και στο παραπάνω σχήμα. Ο περιορισμός στο ρυθμό αλλαγής είναι πολύ σημαντικός ιδίως κατά τη διάρκεια σφαλμάτων στο δίκτυο. Η σημασία του οφείλεται στο γεγονός ότι αποφασίζει πόσο γρήγορα μπορεί να μειωθεί η αεροδυναμική ενέργεια προκειμένου να αποφευχθεί υπερτάχυνση κατά τη διάρκεια σφαλμάτων. Ο έλεγχος της γωνίας βήματος είναι ενεργός μόνο όταν η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί την ονομαστική της τιμή. Επειδή η ταχύτητα και η ισχύς συνδέονται μέσω του ΜΡΡΤ, αυτό εμμέσως υπαγορεύει ότι και η ισχύς περιορίζεται στην ονομαστική της ισχύ. Έτσι εφαρμόζεται ένα κέρδος, το οποίο καθορίζει τον έλεγχο της γωνίας βήματος, προκειμένου να αντισταθμιστούν τα μη γραμμικά αεροδυναμικά χαρακτηριστικά που υπάρχουν. Το συνολικό κέρδος του συστήματος στο βρόχο ελέγχου της ταχύτητας μπορεί να εκφραστεί από ένα αναλογικό κέρδος Κ ΡΙ στον ΡΙ ελεγκτή επί την αεροδυναμική ευαισθησία του συστήματος dp/dβ. Η αεροδυναμική ευαισθησία του συστήματος εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας. Η σχέση ευαισθησίας μπορεί να προσεγγιστεί με μια γραμμική αύξηση της γωνίας βήματος. Οπότε, όσο πιο ευαίσθητο είναι ένα σύστημα, το οποίο βρίσκεται σε υψηλές ταχύτητες ανέμου και κατ επέκταση σε μεγαλύτερες γωνίες βήματος β, τόσο μικρότερο θα πρέπει να είναι το κέρδος για τον ελεγκτή και το ανάποδο. Το συνολικό κέρδος για το σύστημα διατηρείται σταθερό με αλλαγές του Κ ΡΙ, τέτοιες ώστε να αντισταθμίζονται οι αλλαγές της αεροδυναμικής ευαισθησία dp/dβ από την αντίστροφη σχέση της ευαισθησίας. ~ 153 ~

163 Οπότε για το Κ ΡΙ ισχύει ότι Κ ΡΙ = Κ basis όπου Κ basis είναι το σχεδιασμένο σταθερό κέρδος του ΡΙ ελεγκτή. Οι παράμετροι του ελέγχου μπορεί να βρεθούν με βάση τη μέθοδο Ziegler Nichols. Ωστόσο, οι παράμετροι μπορούν να βρεθούν και αναλυτικά. Είναι σημαντικό να μην ξεχνάμε όμως ότι ο έλεγχος γωνίας βήματος έχει σχετικά αργή απόκριση σε σχέση ιδίως με τυχόν σφάλματα στο δίκτυο που μπορεί να προκαλέσουν υπερεπιτάχυνση στις γεννήτριες. Έλεγχος απώλειας στήριξης (παθητικός) passive stall control Ο πιο απλός, εύρωστος και φθηνός τρόπος ελέγχου είναι ο έλεγχος απώλειας στήριξης (παθητικός έλεγχος), όπου τα πτερύγια είναι τοποθετημένα στον άξονα της ανεμογεννήτριας σε σταθερή γωνία. Ο αεροδυναμικός σχεδιασμός της ανεμογεννήτριας προκαλεί την απώλεια στήριξης στο ρότορα (απώλεια ισχύος) όταν η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί κάποιο συγκεκριμένο επίπεδο. Αποτέλεσμα του γεγονότος αυτού, είναι ο περιορισμός της αεροδυναμικής ισχύος στα πτερύγια. Τέτοια αργή ρύθμιση της αεροδυναμικής ισχύος προκαλεί μικρότερες διαταραχές στην ισχύ, από μια γρήγορη μεταβολή στην γωνία των πτερυγίων. Μερικά από τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι ότι εμφανίζει μικρή απόδοση σε χαμηλές ταχύτητες, δεν βοηθά στην εκκίνηση και σε πιθανές μεταβολές στη μέγιστη ισχύ στη μόνιμη κατάσταση, εξαιτίας των μεταβολών στην πυκνότητα του αέρα και σε ορισμένες περιπτώσεις, της συχνότητας του δικτύου. Στις ανεμογεννήτριες με παθητική απώλεια στήριξης, τα πτερύγια είναι τοποθετημένα στον άξονα σε μια σταθερή γωνία. Η γεωμετρία των πτερυγίων είναι τέτοια ώστε αυτόματα, αεροδυναμικά να διασφαλίζεται ότι σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου θα εμφανιστούν στα πλάγια των πτερυγίων από την αντίθετη πλευρά πρόσπτωσης του ανέμου δίνες και στροβιλισμοί, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. ~ 154 ~

164 Γωνία απώλειας στήριξης Αυτές οι διαταραχές, αντισταθμίζουν τις δυνάμεις άντωσης στα πτερύγια και τις περιορίζουν στο να επενεργήσουν στο ρότορα. Αυτό το φαινόμενο λέγεται απώλεια στήριξης (stall control). Οι αεροδυναμικές διαταραχές στις οποίες οφείλεται το φαινόμενο της απώλειας στήριξης, τελικά οδηγούν σε συνεχείς αρνητικές ολισθήσεις στην ταχύτητα περιστροφής γνωστές ως «στολάρισμα». Κατά την απώλεια στήριξης το πτερύγιο στρέφεται αργά κατά μήκος του άξονά του. Αυτό γίνεται εν μέρει προκειμένου να διασφαλιστεί ότι τα πτερύγια χάνουν την απώλεια στήριξης σταδιακά και όχι απότομα όταν η ταχύτητα του ανέμου φτάσει στην καθορισμένη ταχύτητα. Το κύριο πλεονέκτημα του ελέγχου απώλειας στήριξης είναι ότι δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη πάνω στο ρότορα. Όμως, ο σχεδιασμός με βάση αυτό τον έλεγχο αποτελεί μια πολύ περίπλοκη υπόθεση αεροδυναμικά και επηρεάζει το σχεδιασμό όλης της ανεμογεννήτριας. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η μεταβολή της γωνίας στην απώλεια στήριξης γίνεται αντίθετα προς αυτήν της γωνίας βήματος πτερυγίου. Ο μηχανισμός στρέψης των πτερυγίων είναι είτε υδραυλικό είτε γίνεται με ηλεκτρικούς μηχανισμούς. Τα προηγούμενα χρόνια ο συνδυασμός ανεμογεννητριών σταθερής ταχύτητας με παθητικό έλεγχο απώλειας στήριξης ήταν η κυρίαρχη εφαρμογή στην αγορά αιολικής ενέργειας. Ο λόγος που συνέβαινε αυτό ήταν η σαφώς φθηνότερη λύση ελέγχου της ταχύτητας, έστω και περιορισμένα στις υψηλές ταχύτητες, με χρήση πτερυγίων που δεν απαιτούν μηχανισμό περιστροφής. Επιπλέον, τα ηλεκτρονικά ~ 155 ~

165 ισχύος ήταν εξαιρετικά ακριβά με αποτέλεσμα να προτιμώνται επαγωγικές γεννήτριες που συνδέονταν στο δίκτυο χωρίς τη χρήση των συσκευών αυτών. Έλεγχος απώλειας στήριξης (ενεργός) active stall control Ένας ακόμα πιθανός τρόπος μηχανικού ελέγχουν είναι ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης. Στην περίπτωση αυτή, η απώλεια στήριξης των πτερυγίων ελέγχεται ενεργά με περιστροφή των πτερυγίων. Σε χαμηλές ταχύτητες, τα πτερύγια στρέφονται με τον ίδιο τρόπο όπως και στις ανεμογεννήτριες με έλεγχο βήματος, προκειμένου να επιτευχθεί μέγιστη απόδοση. Σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου, τα πτερύγια πηγαίνουν σε μεγαλύτερη απώλεια στήριξης στρεφόμενα ελάχιστα σε αντίθετη φορά από αυτή που θα στρέφονταν αν είχαν έλεγχο γωνίας βήματος. Οι ανεμογεννήτριες με ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης επιτυγχάνουν πιο ομαλό περιορισμό της ενέργειας, χωρίς μεγάλες διαταραχές στην ισχύ, απ ότι στην περίπτωση του ελέγχουν βήματος πτερυγίων. Αυτός ο τύπος ελέγχου έχει το πλεονέκτημα να διαχειρίζεται αυξομειώσεις στην πυκνότητα του αέρα. Ο συνδυασμός με τον μηχανισμό γωνίας βήματος κάνει πιο εύκολη τη διαχείριση καταστάσεων που χρειάζεται άμεση διακοπή λειτουργίας της ανεμογεννήτριας και επιπλέον βοηθά κατά την εκκίνηση. Γενικά συμπεράσματα για τα διάφορα είδη μηχανικού ελέγχου Για μεγάλες ανεμογεννήτριες επιπέδου ΜW σταθερής ταχύτητας, ο παθητικός έλεγχος απώλειας στήριξης δεν είναι τόσο λειτουργικός. Ο λόγος είναι η ανάγκη για επιπλέον μηχανική πέδηση της ανεμογεννήτριας. Αν τα πτερύγια δεν μπορούν να στραφούν, τότε η ανεμογεννήτρια θα πρέπει να έχει μια πάρα πολύ ισχυρή πέδηση. Ενώ αν χρησιμοποιούνται πτερύγια που έχουν τη δυνατότητα περιστροφής τότε η μεγάλη αυτή πέδηση δεν είναι απαραίτητη. Από την άλλη αν χρησιμοποιηθεί έλεγχος γωνίας βήματος, είναι αρκετή η χρήση απλά ενός μικρού μηχανισμού πέδησης, η οποία λειτουργεί επικουρικά στο φρενάρισμα που μπορεί να προκληθεί από την περιστροφή των πτερυγίων. Ένας σημαντικός αριθμός μεγάλων ανεμογεννητριών (1MW και πάνω) κατασκευάζεται με μηχανισμό ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης. Τεχνικά, οι μηχανές με ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης μοιάζουν με τις μηχανές που έχουν έλεγχο γωνίας βήματος, αφού και αυτές έχουν στρεφόμενα πτερύγια. Μόλις η μηχανή φτάσει στην ονομαστική της ισχύ, και είναι στα πρόθυρα υπερφόρτισης, η μηχανή θα στρέψει τα πτερύγιά της σε αντίθετη κατεύθυνση από αυτή που θα τα έστρεφε αν είχε έλεγχο γωνίας βήματος. Με άλλα λόγια, αυξάνει τη γωνία πρόσπτωσης στα πτερύγια προκειμένου να αναγκάσει τα πτερύγια να οδηγηθούν σε μεγαλύτερη απώλεια στήριξης, προκειμένου να χαθεί η περίσσεια ισχύος του ανέμου που υπάρχει. Ένα από τα πλεονεκτήματα του ενεργού σε σχέση με τον παθητικό έλεγχο απώλειας στήριξης, είναι ότι η εξαγόμενη ισχύς μπορεί να ελεγχθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια. ~ 156 ~

166 Άλλο ένα πλεονέκτημα του ενεργού σε σχέση με τον παθητικό έλεγχο απώλειας στήριξης είναι ότι η μηχανή μπορεί να λειτουργεί στην ονομαστική ισχύ σε όλες τις υψηλές τιμές της ταχύτητας. Μια κοινή ανεμογεννήτρια που έχει παθητικό έλεγχο απώλειας στήριξης θα έχει συνήθως μια πτώση στην παραγόμενη ενέργεια σε υψηλές τιμές ταχύτητας, καθώς τα πτερύγια πηγαίνουν σε μεγαλύτερη απώλεια στήριξης. Ένα πλεονέκτημα της χρήσης του ελέγχου γωνίας βήματος σε σχέση με τον έλεγχο ενεργού απώλειας στήριξης είναι πως οι δυνάμεις και η πίεση στην ανεμογεννήτρια είναι μικρότερες. Στις ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας, υπάρχει το μειονέκτημα της μεγάλης αυξομείωσης στην παραγόμενη ενέργεια στις μεγάλες ταχύτητες του ανέμου, που προκύπτει από τη χρήση ελέγχου γωνίας βήματος. Όλες σχεδόν οι σταθερής ταχύτητας ανεμογεννήτριες έχουν έλεγχο απώλειας στήριξης είτε αυτός είναι ενεργός είτε παθητικός. Όλες σχεδόν οι ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας έχουν έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίων. ~ 157 ~

167 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΑΚΤΥΛΙΟΦΟΡΟΥ ΔΡΟΜΕΑ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ~ 158 ~

168 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ηλεκτρική μηχανή είναι η γενική ονομασία των συσκευών που είτε μετατρέπουν μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική, είτε μετατρέπουν ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική, είτε αλλάζουν το ύψος της τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος. Μια τέτοια συσκευή, όταν χρησιμοποιείται για τη μετατροπή μηχανικής ενέργεια σε ηλεκτρική ονομάζεται γεννήτρια. Όταν η συσκευή μετατρέπει ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ονομάζεται κινητήρας. Εκτιμάται ότι στην εποχή μας το πλήθος των ασύγχρονων μηχανών (Α.Μ.) ή με άλλα λόγια επαγωγικών μηχανών αποτελεί περίπου το 80% όλων των ηλεκτρικών μηχανών που χρησιμοποιούνται στον πλανήτη (κατά πλειοψηφία χρησιμοποιούνται επαγωγικές μηχανές βραχυκυκλωμένου κλωβού). Αυτό οφείλεται σε τρεις σημαντικούς λόγους, πρώτον στην απλή κατασκευαστική τους μορφή (μικρό βάρος και όγκος) άρα και στη στιβαρότητα τους και στη μακροζωία τους, δεύτερον στο μικρό κόστος κατασκευής και συντήρησής τους γεγονός που αυξάνει την αξιοπιστία τους και συνεπάγεται από την απλή κατασκευή τους και τρίτον στις εξαίρετες δυνατότητες ελέγχου της λειτουργικής κατάστασής τους που επέφερε η ανάπτυξη της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Η ιστορία της επαγωγικής μηχανής τοποθετείται στα τέλη της δεκαετίας του 1880 όπου δύο εφευρέτες που πειραματίζονταν ανεξάρτητα με το εναλλασσόμενο ρεύμα, σε μία εποχή όπου κυριαρχούσε το συνεχές ρεύμα, ανακάλυψαν την έννοια του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Ο λόγος για τον Ιταλό Galileo Ferraris ο οποίος το 1885 δημιούργησε την πρώτη ασύγχρονη επαγωγική μηχανή κατά την διάρκεια των πειραμάτων του, όπου ανακάλυψε ότι δύο εναλλασσόμενα ρεύματα ίδιας συχνότητας αλλά διαφορετικής αρχικής φάσης παράγουν στο χώρο ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, και για τον Σερβο-Αμερικανό Nikola Tesla ο οποίος όμως πειραματιζόταν με τρία εναλλασσόμενα ρεύματα και το 1891 εξέδωσε άρθρο όπου εξηγούσε θεωρητικά τη θεμελίωση του τρόπου λειτουργίας του επαγωγικού κινητήρα. Ο συντελεστής απόδοσης της μηχανής του Ferraris δεν ξεπερνούσε το 50%. Έτσι το 1889 ο Ρωσσο- Γερμανός Dolivo Dobrowolsky απέδειξε ότι η μηχανή του Ferraris ~ 159 ~

169 μπορούσε να βελτιωθεί και κατασκεύασε την ακόμη και σήμερα σπουδαιότερη ηλεκτρική μηχανή, την ασύγχρονη επαγωγική μηχανή της οποίας ο βαθμός απόδοσης τότε έφτασε το 80%. Έκτοτε οι επαγωγικές μηχανές στηρίζονται στις θεωρίες των Faraday και Tesla χωρίς καμία ραγδαία εξέλιξη ως προς τη δομή της κατασκευής. Από τότε έως το 1970, οι βελτιώσεις στην ποιότητα των υλικών κατασκευής, στις τεχνικές χύτευσης και στη μόνωση των τυλιγμάτων, επέτρεψε τη δραστική μείωση του μεγέθους και του κόστους κατασκευής των επαγωγικών κινητήρων. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι ένας σημερινός ασύγχρονος κινητήρας των 100hp, έχει τις ίδιες διαστάσεις µε ένα κινητήρα 7,5hp του Η μείωση στις διαστάσεις των επαγωγικών κινητήρων δεν είχε συνοδευτεί από ουσιαστική βελτίωση του βαθμού απόδοσης, έως την πετρελαϊκή κρίση του 1973, εξαιτίας του μικρού κόστους της ηλεκτρικής ενέργειας. Όμως, στη συνέχεια, όλοι οι κατασκευαστές ανέπτυξαν επαγωγικούς κινητήρες µε το χαρακτηρισμό «υψηλής απόδοσης» (high efficiency induction motors). Οι κινητήρες αυτοί, αν και έχουν μεγαλύτερο κόστος από τους τυπικούς επαγωγικούς κινητήρες αποκτούν όλο και μεγαλύτερο μερίδιο της αγοράς. ΒΑΣΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Η ασύγχρονη μηχανή αποτελείται από ένα ακίνητο, εξωτερικό μέρος, το στάτη και από ένα περιστρεφόμενο στο εσωτερικό, το δρομέα, με ένα προσεχτικά κατασκευασμένο διάκενο αέρος μεταξύ των δύο. Ο στάτης φέρει στο εσωτερικό του μέρος αυλακώσεις μέσα στις οποίες τοποθετείται ένα μονοφασικό ή διφασικό ή τριφασικό τύλιγμα από σιδηρομαγνητικό υλικό, το τύλιγμα διέγερσης, το οποίο παίρνει ρεύμα από το δίκτυο και δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο επάγει στο δρομέα ρεύματα. Τα ρεύματα αυτά μαζί με το πεδίο που τα δημιούργησε προκαλούν δυνάμεις και κατά συνέπεια ηλεκτρομαγνητική ροπή, υπό την επίδραση της οποίας ο δρομέας τίθεται σε περιστροφική κίνηση. Η κατασκευή της μηχανής πρέπει να είναι τέτοια ώστε το απαραίτητο ρεύμα, το ρεύμα διέγερσης, να είναι όσο δυνατόν μικρότερο. Αυτό μπορούμε να το πετύχουμε, όταν το διάκενο μεταξύ στάτη και δρομέα γίνεται όσο το δυνατόν μικρότερο ή δίνοντας στις αυλακώσεις κατάλληλο σχήμα. (Στην ιδανική περίπτωση οι αυλακώσεις του στάτη είναι κλειστές, αλλά αυτό σημαίνει δύσκολη τοποθέτηση των ηλεκτρικών αγωγών σ αυτές.) ~ 160 ~

170 Το τύλιγμα του δρομέα μιας επαγωγικής μηχανής μπορεί να έχει μια από τις ακόλουθες μορφές, οπότε η ασύγχρονη μηχανή αποκτά ένα χαρακτηριστικό τύπο. Έτσι έχουμε ασύγχρονες μηχανές βραχυκυκλωμένου δρομέα, οι οποίες πιο συχνά συναντώνται με την ορολογία ασύγχρονες μηχανές με κλωβό, και ασύγχρονες μηχανές με δρομέα με δακτυλίους, οπότε μιλάμε για ασύγχρονες μηχανές δακτυλιοφόρου δρομέα. Στις ασύγχρονες μηχανές με κλωβό, οι οποίες είναι και οι πιο διαδεδομένες, εντός των αυλακώσεων χυτεύεται ρευστό αλουμίνιο ή χαλκός το οποίο όταν στερεοποιηθεί εντελώς αποτελεί τον ηλεκτρικό αγωγό, οποίος δεν είναι μονωμένος έναντι του σιδηρομαγνητικού υλικού. Ο δροµέας των μηχανών αυτών αποτελείται από ελάσματα μονωµένα μεταξύ τους, τα οποία προσαρμόζονται στον άξονα. Τα ελάσματα φέρουν οδοντώσεις, οι οποίες σχηματίζουν αυλάκια κατά μήκος του δροµέα. Η γεωμετρική μορφή των αυλακώσεων καθορίζει την ηλεκτρική συμπεριφορά του κινητήρα, δηλαδή τη χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής. Τα ρεύματα κατά το μέγιστο μέρος ρέουν δια μέσω του αγωγού, διότι αυτός έχει πολύ μεγαλύτερη αγωγιμότητα από την αγωγιμότητα του σιδήρου. Εκτός αυτού, μεταξύ του χάλκινου ή αλουμινένιου αγωγού και του σιδήρου υπάρχει μια σχετικά μεγάλη αντίσταση επαφής. Εξαίρεση αποτελεί ο κλωβός που αποτελείται από μπάρες, οι οποίες μπορούν να είναι μονωμένες, διότι στην περίπτωση αυτή δεν έχουμε χύτευση, αλλά οι αγωγοί είναι ήδη έτοιμοι και τοποθετούνται στις αυλακώσεις. Ο αγωγός κάθε μιας αυλάκωσης του δρομέα αποτελεί μια φάση. Έτσι λοιπόν μπορεί να θεωρηθεί ότι ένας δακτύλιος συνδέει τις φάσεις σε αστέρα και ο άλλος βραχυκυκλώνει τα άκρα αυτών. Είναι φανερό ότι, ο δροµέας του επαγωγικού κινητήρα µε βραχυκυκλωμένο κλωβό, δεν συνδέεται ηλεκτρικά µε καμία πηγή. Στο γεγονός αυτό οφείλεται η απλή κατασκευή και η ευρεία χρήση του επαγωγικού κινητήρα βραχυκυκλωμένου κλωβού. Οι ασύγχρονες μηχανές με δακτυλιοφόρο δρομέα φέρουν τύλιγμα ίδιο με του στάτη. Ο δρομέας φέρει αυλακώσεις μέσα στις οποίες τοποθετείται ένα τύλιγμα όμοιο με το τύλιγμα του στάτη. Στο δρομέα, σχεδόν πάντοτε, οι τρεις φάσεις συνδέονται σε αστέρα και τα τρία άκρα αυτών συνδέονται με τους τρεις δακτυλίους. Οι αγωγοί του δρομέα βραχυκυκλώνονται μέσω ψηκτρών που εφάπτονται στους δακτυλίους. Άρα τα ρεύματα του δακτυλιοφόρου δρομέα μπορούν να μετρηθούν στις ψήκτρες κι ακόμη είναι δυνατή η σύνδεση εξωτερικών αντιστάσεων στο κύκλωμα διέγερσης. Λόγω της τελευταίας δυνατότητας είναι εφικτή η επεξεργασία της χαρακτηριστικής ροπής- ταχύτητας του επαγωγικού κινητήρα δακτυλιοφόρου δρομέα. Οι δακτύλιοι μέσω των ψηκτρών συνδέονται με ένα εξωτερικό κύκλωμα π.χ. με τρεις ωμικές αντιστάσεις συνδεδεμένες κατά αστέρα, ή είναι βραχυκυκλωμένοι. Με τον τρόπο ~ 161 ~

171 αυτό επιτυγχάνεται η τροποποίηση της χαρακτηριστικής ταχύτητας ροπής του κινητήρα, ανάλογα µε τις συνθήκες λειτουργίας. Εάν κατασκευάσουμε το δρομέα από σίδηρο χωρίς αυλακώσεις, τότε εντός αυτού δημιουργούνται δινορεύματα, τα οποία μαζί με το μαγνητικό πεδίο προκαλούν μια ροπή. Οι ασύγχρονες μηχανές με δρομείς τέτοιου είδους, χρησιμοποιούνται για μεγάλο αριθμό στροφών (π.χ /min), διότι παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή κατά των φυγοκεντρικών δυνάμεων. Εκτός από τα χαρακτηριστικά που περιγράφησαν παραπάνω, οι επαγωγικές μηχανές διαθέτουν και μη ενεργά μέρη τα οποία είναι: το περίβλημα, ο άξονας, τα έδρανα, τα πλέγματα, ο ανεμιστήρας και άλλα εξαρτήματα στήριξης, στερέωσης και μόνωσης. ~ 162 ~

172 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ Το ρεύμα που διαρρέει τα τρία τυλίγματα του στάτη έχει συχνότητα f S που δημιουργεί ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο διάκενο μεταξύ στάτη και δρομέα. Το πεδίο αυτό στρέφεται με την ταχύτητα: ~ 163 ~

173 n s fs p όπου p είναι ο αριθμός ζευγών πόλων (πόλος σημαίνει μια ζώνη επί της κυλινδρικής επιφάνειας, στην οποία όλες οι υπάρχουσες εκεί πλευρές των πηνίων διαρρέονται από ρεύμα της ίδιας κατεύθυνσης). Ο αριθμός στροφών n S ανά λεπτό ονομάζεται σύγχρονος αριθμός στροφών. Το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο είναι μια κύμανση, δηλ. είναι μια συνάρτηση χρόνου και τόπου, και περιγράφεται από την ακόλουθη εξίσωση: B x t B t (, ) max sin( s ) p ~ 164 ~ x τ p : η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών πόλων (πολική απόσταση) x: η απόσταση επί της περιφέρειας του εσωτερικού κύκλου, που σχηματίζεται κατά την εγκάρσια τομή του στάτη, υπολογισμένη από ορισμένο σημείο που επιλέγεται ελεύθερα t: ο χρόνος ω s : 2πf s (το όρισμα της τριγωνομετρικής συνάρτησης πρέπει να είναι γραμμική συνάρτηση του τόπου και του χρόνου). Επιδίωξή μας είναι ένα ημιτονοειδώς κατανεμημένο πεδίο Β(x,t) κατά μήκος του διακένου έτσι ώστε οι τάσεις και κατά συνέπεια τα ρεύματα που θα δημιουργηθούν λόγω επαγωγής να είναι ημιτονοειδείς συναρτήσεις του χρόνου. Αυτό επιτυγχάνεται, αν έχουμε ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, δηλαδή ένα πεδίο με σταθερό εύρος που στο χώρο να στρέφεται με σταθερή ταχύτητα. Προϋπόθεση για να δημιουργηθεί ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο με σταθερό εύρος και σταθερό αριθμό στροφών είναι η ύπαρξη τριών συμμετρικών τυλιγμάτων τοποθετημένων κατά 120 μεταξύ τους στο χώρο και τροφοδοτούμενων από ημιτονοειδές τριφασικό σύστημα τάσεων με διαφορά φάσης 120 μεταξύ τους. Το πεδίο αυτό επάγει στο δρομέα της επαγωγικής μηχανής ρεύματα, τα οποία σχηματίζουν με το ίδιο το πεδίο ηλεκτρομαγνητική ροπή, που να τείνει να περιστρέψει το δρομέα κατά τη φορά του πεδίου και να αντισταθεί στο αίτιο που προκάλεσε την κίνηση. Επομένως, ο δρομέας «προσπαθεί» να φτάσει το στρεφόμενο πεδίο, ώστε μόλις γίνει η σχετική ταχύτητα μηδέν, να μηδενιστεί και το ρεύμα. Δεν κατορθώνει να φτάσει όμως ποτέ το μαγνητικό πεδίο, δηλαδή δεν αποκτά ποτέ σύγχρονη

174 ταχύτητα n s, διότι τότε δε θα είχαμε ρεύμα εξ επαγωγής και η ροπή θα ήταν μηδέν. Μια ελάχιστη ροπή όμως είναι απαραίτητη για την αντιμετώπιση όποιου μηχανικού φορτίου υπάρχει στον άξονα της μηχανής. Σε μια ιδανική κατάσταση (μηδενικό φορτίο) θα είχαμε σύγχρονη ταχύτητα. Ο δρομέας όμως παρουσιάζει κάποια ολίσθηση s δηλαδή περιστρέφεται ασύγχρονα. Από εδώ προέρχεται και το όνομα Ασύγχρονη Μηχανή. Η φυσική συμπεριφορά των μηχανών καθορίζεται κατά πολύ από το μαγνητικό πεδίο του διακένου, το οποίο προέρχεται από τα ρεύματα που διαρρέουν τα τυλίγματα. Η κύρια αποστολή των τυλιγμάτων στις μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος είναι η δημιουργία μαγνητικού πεδίου στο διάκενο, με όσο γίνεται περισσότερο ημιτονοειδή κατανομή ως συνάρτηση του τόπου. Λόγω των οδοντώσεων του στάτη και του δρομέα, ο υπολογισμός των μαγνητικών πεδίων παρουσιάζει αρκετές δυσκολίες. Πρέπει σε η μορφή που θα πάρει ο στάτης και ο δρομέας προς την πλευρά του διακένου να είναι κατάλληλη, ώστε να δημιουργηθεί το επιθυμητό μαγνητικό πεδίο. Το πεδίο αυτό είναι καθοριστικό για την ηλεκτρομαγνητική ροπή που αναπτύσσει η ασύγχρονη μηχανή. Υπάρχουν δύο τρόποι να δημιουργήσουμε ένα πεδίο τέτοιας φύσεως: A. Να στρέψουμε ένα δρομέα με σταθερή ταχύτητα, ο οποίος ή να είναι ένας διαρκής μαγνήτης ή να φέρει ένα τύλιγμα διαρρεόμενο από συνεχές ρεύμα, που αποτελεί την περίπτωση της σύγχρονης μηχανής. B. Να τροφοδοτήσουμε ένα συμμετρικό πολυφασικό τύλιγμα με συμμετρικό πολυφασικό ρεύμα, που αποτελεί την περίπτωση της ασύγχρονης μηχανής με την οποία και θα ασχοληθούμε. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ Εάν ο στάτης μιας ασύγχρονης μηχανής τροφοδοτείται από το δίκτυο και ο δρομέας είναι ανοικτός, τότε η μηχανή προσλαμβάνει το ρεύμα εν κενώ, το οποίο καλύπτει θερμικές απώλειες και δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο. Ο σύγχρονος αριθμός στροφών n S, που ορίζεται από τη σχέση, είναι ένα σπουδαίο μέγεθος. Κοντά σ αυτόν, βρίσκεται ο ονομαστικός αριθμός στροφών της μηχανής, λίγο μικρότερος όταν πρόκειται για κινητήρα, λίγο μεγαλύτερος όταν πρόκειται για γεννήτρια. Όταν δίνεται ο σύγχρονος αριθμός n S και η συχνότητα f S, προκύπτει ο αριθμός p που εκφράζει τα ζεύγη των πόλων. Εάν n είναι η ~ 165 ~

175 ταχύτητα του δρομέα, τότε αυτός σχετικά προς το στρεφόμενο πεδίο στρέφεται με την ακόλουθη ταχύτητα: n R = n S n Τα εναλλασσόμενα ηλεκτρικά μεγέθη του δρομέα έχουν συχνότητα: f R = pn R Είναι αυτονόητο ότι ισχύει η σχέση n S = n R + n από την οποία μέσω πολλαπλασιασμού με τον αριθμό των ζευγών των πόλων παίρνουμε την εξίσωση συχνοτήτων: f S : πρωτεύον (στάτης) f R : δευτερεύον (δρομέας) n: αριθμός στροφών δρομέα f S = f R + pn Εάν ο δρομέας στρέφεται αντίθετα προς τη φορά του μαγνητικού πεδίου, τότε το n γίνεται αρνητικό. Το ρεύμα του δρομέα δημιουργεί και αυτό ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο ως προς το δρομέα στρέφεται με n R, αλλά ως προς το στάτη με n S. Τα δύο πεδία δημιουργούν την ηλεκτρομαγνητική ροπή (μέχρι τώρα λέγαμε, ότι η ροπή παράγεται από το ρεύμα και το πεδίο) και είναι φυσικό να έχουν μεταξύ τους σχετική ταχύτητα ίση με μηδέν. Από την τελευταία σχέση συμπεραίνουμε ότι, αν τροφοδοτήσουμε στάτη και δρομέα με f S και f R αντίστοιχα, τότε η ταχύτητα είναι εντελώς ορισμένη και μπορούμε να τη ρυθμίσουμε μεταβάλλοντας τα προηγούμενα μεγέθη. Επίσης βλέπουμε ότι είναι δυνατόν να πάρουμε ένα δευτερεύον δίκτυο με ρυθμιζόμενη συχνότητα f R, αν η συχνότητα f S είναι σταθερή και μεταβάλλουμε την ταχύτητα n. Ένα άλλο σπουδαίο μέγεθος των επαγωγικών μηχανών είναι η ολίσθηση, η οποία ορίζεται από την εξίσωση: Το μέγεθος s εκφράζει την ποσοστιαία διαφορά της ταχύτητας του δρομέα από τη σύγχρονη ταχύτητα του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Στην κατάσταση ηρεμίας έχουμε n = 0 επομένως s = 1, ενώ για n = n S ~ 166 ~

176 έχουμε s = 0. Εάν ο δρομέας στραφεί γρηγορότερα από το στρεφόμενο πεδίο (n > n S ), τότε η ολίσθηση γίνεται αρνητική. ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΤΑΣΕΩΝ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΚΑΙ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ Στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας οι τάσεις και τα ρεύματα είναι ημιτονοειδής συναρτήσεις και η ταχύτητα είναι σταθερή. Αποφεύγοντας τη μαγνητική ζεύξη, για να μπορούμε έτσι να χρησιμοποιήσουμε μόνο τους κανόνες Kirchoff για τους υπολογισμούς της ασύγχρονης μηχανής, παίρνουμε το ακόλουθο ισοδύναμο κύκλωμα ανά φάση, στο οποίο υπάρχει μόνο γαλβανική ζεύξη. Ισοδύναμο κύκλωμα ασύγχρονης μηχανής ανά φάση Στο ισοδύναμο κύκλωμα όλες τα μεγέθη και οι παράμετροι του δρομέα δεν έχουν τις πραγματικές τιμές τους, αλλά οι ποσότητες ανάγονται στο στάτη. Στο στάτη της μηχανής εφαρμόζεται η τάση V S της πηγής (δίκτυο). Ανάλογα με το αν τα τριφασικά τυλίγματα της μηχανής είναι συνδεδεμένα κατά αστέρα ή σε τρίγωνο η τάση αυτή είναι η φασική ή η πολική τάση δικτύου αντίστοιχα. Το ανά φάση τύλιγμα του στάτη παρίσταται από μια ωμική αντίσταση R S και μια επαγωγή L Sλ. Η αντίσταση προσομοιώνει τις απώλειες Joule (θερμότητα) στο τύλιγμα λόγω της κυκλοφορίας ρεύματος σε αυτό, ενώ η επαγωγή προσομοιώνει τη σκέδαση (ροή που δημιουργείται από το τύλιγμα και εμπλέκει το ίδιο το τύλιγμα χωρίς να εμπλέκει άλλα τυλίγματα της μηχανής) του μαγνητικού πεδίου του τυλίγματος. Η επαγωγή L Sλ ονομάζεται και αυτεπαγωγή του τυλίγματος του στάτη (stator leakage inductance). Ο ~ 167 ~

177 εγκάρσιος κλάδος που ακολουθεί και αποτελείται από μία ωμική αντίσταση R m παράλληλα με μία επαγωγή L m καλείται κλάδος μαγνήτισης. Ο κλάδος μαγνήτισης διαρρέεται από το ρεύμα πυρήνα, το οποίο αποτελείται από δύο συνιστώσες: το ρεύμα απωλειών πυρήνα και το ρεύμα μαγνήτισης. Το ρεύμα απωλειών πυρήνα διαρρέει την αντίσταση R m η οποία συμβολίζει τις θερμικές απώλειες του σιδηρομαγνητικού πυρήνα από τον συνεχή επαναπροσανατολισμό των στοιχειωδών μαγνητικών διπόλων του μαγνητικού υλικού (υστέρηση) και από τα δινορρεύματα. Το ρεύμα μαγνήτισης διαρρέει την επαγωγή η οποία μοντελοποιεί το μαγνητικό πεδίο εντός της μηχανής που εμπλέκει τα τυλίγματα στάτη και δρομέα. Η επαγωγή L m ονομάζεται και αλληλεπαγωγή τυλιγμάτων στάτη δρομέα ή επαγωγή μαγνήτισης (magnetizing inductance). Στο δρομέα της μηχανής, έχουμε μια ωμική αντίσταση R r /s ανηγμένη στο στάτη που εξαρτάται από την ολίσθηση και την αυτεπαγωγή σκέδασης του δρομέα L rλ. Συνήθως ο δρομέα είναι βραχυκυκλωμένος (εάν έχουμε δακτυλιοφόρο δρομέα θεωρούμε την εξωτερική αντίσταση συμπεριλαμβανόμενη στην R r ), οπότε V r = 0. Οι μηχανές επαγωγής δεν στρέφονται σύγχρονα με την συχνότητα διέγερσης. Σε ονομαστικό φορτίο η ταχύτητα της μηχανής επαγωγής είναι ελαφρώς μικρότερη, κατά 2-7% από τη σύγχρονη ταχύτητα. Όταν δίνεται η τάση και οι παράμετροι της μηχανής, τότε μπορούμε να υπολογίσουμε τα ρεύματα και την ολίσθηση. Γι αυτό το λόγο χρειαζόμαστε ακόμα μια εξίσωση και αυτή προκύπτει από την ισορροπία των ροπών, η οποία εκφράζεται με τη σχέση: Αν η μηχανή δουλεύει στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας, δηλαδή με σταθερό αριθμό στροφών o λόγος μηδενίζεται. Μ e : η ηλεκτρομαγνητική ροπή της ασύγχρονης μηχανής Μ L : η ροπή του φορτίου J : η ροπή αδράνειας Ω : η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα Γνωρίζοντας τη ροπή M L (εξαρτάται από τη φύση του φορτίου και πρέπει να δίνεται), και χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση M e = f(s), μπορούμε να υπολογίσουμε την ολίσθηση s. ~ 168 ~

178 Στην ανάλυση που θα ακολουθήσει αγνοούνται οι απώλειες του πυρήνα. Υιοθετώντας σύμβαση γεννήτριας, η επαγόμενη στα τυλίγματα του στάτη, τάση (λόγω της ροής διακένου), E 1, δίνεται από τη σχέση: όπου, E 1 = (R s +jω 1 L sλ )I s -V s E 1 : η επαγόμενη τάση στα τυλίγματα του στάτη Rs : η ωμική αντίσταση του τυλίγματος του στάτη Ls λ : η αντίδραση σκέδασης του στάτη I s : το φασικό ρεύμα στάτη ω 1 = 2πf 1 : η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής των ρευμάτων και τάσεων του στάτη για συχνότητα f 1 Αντίστοιχα, η σχέση που δίνει την επαγόμενη στα τυλίγματα του δρομέα τάση Ε 2 (λόγω πάλι της συνισταμένης ροής του διάκενου) είναι: Ε 2 = (R r r +jω 2 L rλ )Ι r r - V r r όπου, R r : η ωμική αντίσταση του τυλίγματος του δρομέα L rλ : η αντίδραση σκέδασης του δρομέα ω 2 = 2πf 2 = sω 1 η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής των ρευμάτων και τάσεων του δρομέα για συχνότητα f 2 = sf 1 και ολίσθηση s. Αν α είναι ο λόγος μετασχηματισμού, δηλαδή ο αριθμός των αγωγών ανά φάση του στάτη προς τον αριθμό των αγωγών ανά φάση του δρομέα επί τους συντελεστές βήματος και κατανομής, τότε οι σχέσεις που ανάγουν τα μεγέθη του δρομέα στον στάτη είναι οι εξής: α = E r0 r = R r r = R r / α 2 ~ 169 ~

179 L rλ r = L rλ / α 2 V r r = V r / α I r r = όπου, w s, w r : ο αριθμός των σπειρών στάτη και δρομέα αντίστοιχα ξ s, ξ r : ο συντελεστής των τυλιγμάτων τα μεγέθη του αριστερού τμήματος της κάθε εξίσωσης είναι τα μεγέθη του δρομέα όπως φαίνονται από τον στάτη (ανηγμένα) και E r0 είναι η τάση ακινητοποιημένου δρομέα. Επειδή τα τριφασικά μεγέθη του δρομέα βρίσκονται σε συχνότητα f 2 = sf 1 η σχέση που συνδέει την E r0 με την Ε2 είναι η εξής: Ε 2 = se R0 Τελικά προκύπτει η παρακάτω σχέση αφού τα μεγέθη του δρομέα είναι ανηγμένα στο στάτη: E 1 = ( +jω 1 L rλ )I r - Τέλος, η ηλεκτρεγερτική δύναμη E 1 μετά το μετασχηματισμό μπορεί να θεωρηθεί ότι παράγεται και από το διανυσματικό άθροισμα των ρευμάτων I S και I r, επομένως ισχύει: E 1 = -jω 1 L m (I s +I r ) = -jω 1 L m I m V s = R s I s +jω 1 L sλ I s +jω 1 L m (I s +I r ) Τέλος, οι εξισώσεις της ροής στάτη, δρομέα και διακένου δίνονται από τις παρακάτω εξισώσεις : λ s = L s I s + L m I r (ροή στάτη) λ m = L m (I s +I r )=L m I m (ροή διακένου) λ r = L r I r +L m I s (ροή δρομέα) L s = L sλ + L m L r = L rλ + L m ~ 170 ~

180 όπου, L S : η αυτεπαγωγή του στάτη L r : η αυτεπαγωγή του δρομέα Συνδυάζοντας τα παραπάνω ζεύγη εξισώσεων προκύπτουν οι εξισώσεις: V s = R s I s +jω 1 λ s ΙΣΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ Ο βαθμός απόδοσης του τριφασικού επαγωγικού κινητήρα, εκφράζει την ικανότητά του να μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια εισόδου σε μηχανική. Κατά τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας, ένα ποσοστό της ισχύος εισόδου καταναλώνεται από τον κινητήρα, µε αποτέλεσμα την ανύψωση της θερμοκρασίας του. Αυτό το ποσοστό αντιπροσωπεύει τις απώλειες της μηχανής, οι οποίες πρέπει να είναι οι ελάχιστες δυνατές. Οι ολικές απώλειες των επαγωγικών κινητήρων, απαρτίζονται από τις παρακάτω επιμέρους συνιστώσες: Απώλειες χαλκού ή ωμικές απώλειες (copper/winding losses). Οι απώλειες χαλκού οφείλονται στη ροή των ρευµάτων από τα τυλίγματα του στάτη και του δροµέα. Οι απώλειες χαλκού στο στάτη και το δρομέα ορίζονται από τις σχέσεις: 2 P cu-stator =3R s I s ωμικές απώλειες στα τυλίγματα του στάτη 2 P cu-rotor =3R r I r ωμικές απώλειες στα τυλίγματα του δρομέα Οι ολικές απώλειες χαλκού είναι ίσες µε το άθροισμα των απωλειών στο στάτη και το δροµέα: P cu_total = P cu-stator + P cu-rotor Οι απώλειες χαλκού εξαρτώνται από το μέγεθος των αντιστάσεων των τυλιγμάτων και το μέγεθος των ρευµάτων στο στάτη Is και το δροµέα Ir, τα οποία είναι συναρτήσεις της ροπής του φορτίου. Οι απώλειες χαλκού στο στάτη και το δροµέα συμβάλλουν κατά 33% 40% ~ 171 ~

181 και 15% 22% αντίστοιχα, στις ολικές απώλειες των συμβατικών επαγωγικών κινητήρων υπό ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας. Απώλειες σιδήρου ή μαγνητικές απώλειες (core, iron losses). Οι απώλειες σιδήρου προκύπτουν από το άθροισμα των απωλειών υστέρησης και δινορευμάτων στο στάτη και το δροµέα. Εξαρτώνται από το μέγεθος της ολικής μαγνητικής ροής στο διάκενο Φm και τη συχνότητα μεταβολής της, ενώ είναι ανεπηρέαστες από τη ροπή του φορτίου. Οι απώλειες σιδήρου στο στάτη προσεγγίζονται από τη σχέση: P iron_stator = k e ω 2 eφ 2 m + k h ω e Φ n m και στο δροµέα από τη σχέση: P iron_rotor = k e( sω e) 2 Φ m 2 + k h sω e Φ n m όπου k e : ο συντελεστής απωλειών δινορευμάτων k h : ο συντελεστής απωλειών υστέρησης. Ο εκθέτης n λαμβάνει τιμές από 1.5 έως 2.5 και συνήθως θεωρείται n = 2. Οι απώλειες σιδήρου στο δροµέα είναι σημαντικά μικρότερες από εκείνες στο στάτη, εξαιτίας της μικρότερης συχνότητας sω e. Οι απώλειες σιδήρου αποτελούν τη δεύτερη σημαντικότερη συνιστώσα των ολικών απωλειών, µε ποσοστό περίπου 20%. Oι μαγνητικές απώλειες μοντελοποιούνται µε µια αντίσταση R m σε παράλληλη σύνδεση µε την αντίδραση μαγνήτισης. Η τιμή της αντίστασης απωλειών σιδήρου, υπολογίζεται από τη σχέση: P iron_total = P iron_stator + P iron_rotor = E 2 /R m Αντικαθιστώντας Ε= ω e Φ m R m =1/ [k e (1+s 2 )+(1+s)k h /(ω e )] Μηχανικές απώλειες (mechanical losses). Οι μηχανικές απώλειες περιλαμβάνουν τις απώλειες τριβών (friction), λόγω της περιστροφής του άξονα και τη συνιστώσα αερισμού (windage) από τη λειτουργία του ανεμιστήρα. Οι απώλειες τριβών αερισμού, μεταβάλλονται προσεγγιστικά ανάλογα µε το τετράγωνο της ταχύτητας σύμφωνα με τη σχέση: P fw = C fw n 2 r ~ 172 ~

182 όπου C fw : ο συντελεστής μηχανικών απωλειών. Οι μηχανικές απώλειες αποτελούν το 8 10% των ολικών απωλειών στο ονομαστικό φορτίο. Κατανεμημένες απώλειες (stray losses). Πρόκειται για πρόσθετες απώλειες της μηχανής, οι οποίες οφείλονται στην αύξηση της ροής σκέδασης µε το φορτίο και στις υψηλής συχνότητας διακυμάνσεις της ροής αυτής. Ο προσδιορισμός των κατανεμημένων απωλειών P stray είναι εξαιρετικά δύσκολος. Έτσι, συνήθως λαμβάνονται ίσες µε το 1% της ισχύος εξόδου της μηχανής, στη λειτουργία µε το ονομαστικό φορτίο. Οι κατανεμημένες απώλειες αποτελούν το 8 20% των ολικών απωλειών, ανάλογα µε την ιπποδύναμη του κινητήρα. Η εσωτερική, μηχανική ισχύς Ρ me ισούται με: Ρ me = ΩΜ e = Ω S (1-s)ω s M e = (1-s)P δ όπου Ω : η γωνιακή ταχύτητα με την οποία στρέφεται ο δρομέας Ω s : η σύγχρονη γωνιακή ταχύτητα Ρ δ : η ισχύς του διακένου Μ e : η ηλεκτρομαγνητική ροπή Οι τιμές ενεργού και άεργου ισχύος στάτη και δρομέα απώλειες (αγνοώντας τις απώλειες μαγνήτισης) δίνονται από τις εξής εξισώσεις: P s = 3R e {V s I s * } ενεργός ισχύς στάτη Q s = 3I m {V s I s * } άεργος ισχύς στάτη P r = 3R e {V r I r * } ενεργός ισχύς ρότορα Q r = 3I m { } άεργος ισχύς ρότορα ανηγμένη στον στάτη Στις παραπάνω εξισώσεις, ο αριθμός 3 αντικαθίσταται με τον αριθμό των φάσεων του στάτη σε περίπτωση που αυτός είναι διαφορετικός. ~ 173 ~

183 Η μηχανή επαγωγής είναι ένας γενικευμένος μετασχηματιστής που απορροφά ηλεκτρική ισχύ στα πρωτεύοντα τυλιγματα μετατρέπει το κλάσμα (1-s) της ισχύος αυτής σε μηχανική και μετασχηματίζει το κλάσμα s σε ηλεκτρική ισχύ στα δευτερεύοντα τυλίγματα αυτού με μια αντίστοιχη μεταβολή στη συχνότητα. Μια μηχανή επαγωγής είναι ικανή να έχει την λειτουργία του κινητήρα και της γεννήτριας, αυτό φαίνεται στην παρακάτω χαρακτηριστική με βάση την περιοχή λειτουργίας της μηχανής όπου η τιμή της ολίσθησης στη ροπή ανατροπής είναι ανάλογη με την αντίσταση του δρομέα. Επομένως όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση του δρομέα, σε τόσο μικρότερη ταχύτητα θα εμφανίζεται η μέγιστη ροπή. Πλήρης χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας του επαγωγικού κινητήρα Ανάλυση της χαρακτηριστικής ροπής ταχύτητας για λειτουργία ως κινητήρας Η ροπή που αναπτύσσει ένας επαγωγικός κινητήρας μεταβάλλεται με την ταχύτητα, με τον τρόπο που εικονίζεται στη συνέχεια. ~ 174 ~

184 Χαρακτηριστική ροπής - ταχύτητας περιστροφής και η αντίστοιχη χαρακτηριστική ρεύματος - ταχύτητας περιστροφής για το δρομέα Προκειμένου να ερμηνεύσουμε τη χαρακτηριστική αυτή, θεωρούμε ότι ο κινητήρας λειτουργεί αρχικά χωρίς φορτίο. Τότε, η ταχύτητα του κινητήρα είναι περίπου ίση με τη σύγχρονη. Το μαγνητικό πεδίο του στάτη Β sr παράγεται από το ρεύμα Ι s. Το ολικό μαγνητικό πεδίο Β m είναι ανάλογο με το ρεύμα μαγνήτισης Ι m. Το ρεύμα μαγνήτισης εξαρτάται από την τάση Ε, όταν ο κινητήρας είναι ακόρεστος. Επειδή η πτώση τάσης στη σύνθετη αντίσταση του στάτη Rs+jXs λ είναι πολύ μικρή, η τάση Ε είναι σταθερή και περίπου ίση με την τάση εξόδου V. Επομένως, το ολικό μαγνητικό πεδίο στο διάκενο του κινητήρα είναι σταθερό και ανεξάρτητο από τη ροπή του φορτίου. Επειδή το μαγνητικό πεδίο Β rs είναι μικρό, η ροπή που αναπτύσσει ο κινητήρας είναι τόση όση να υπερνικήσει τις απώλειές του Όταν η ροπή του φορτίου αυξηθεί στην ονομαστική τιμή, η ταχύτητα του κινητήρα μειώνεται και η ολίσθηση αυξάνει. Έτσι, η τάση που επάγεται στο δρομέα αυξάνεται. Η αυξημένη τάση Ε r προκαλεί την αύξηση του ρεύματος και του μαγνητικού πεδίου στο δρομέα. Ταυτόχρονα, η αύξηση της συχνότητας στο δρομέα έχει ως αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη διαφορά φάσης μεταξύ των Ε r και Ι r. Η αντίδραση του δρομέα sχ rλ είναι τώρα παραπλήσια της ωμικής του αντίστασης R r. Η αύξηση του πεδίου Β rs τείνει να αυξήσει την αναπτυσσόμενη ροπή. Αντίθετα, η αύξηση της γωνίας δ, η οποία είναι μεγαλύτερη από 90 o, τείνει να μειώσει τη ροπή. Καθώς η επίδραση του πεδίου είναι μεγαλύτερη από την επίδραση της γωνίας, η ροπή αυξάνεται. ~ 175 ~

185 Η επίδραση του μαγνητικού πεδίου του δρομέα Β rs υπερισχύει της γωνίας δ, μέχρι μια τιμή του φορτίου, η οποία αντιστοιχεί στη μέγιστη ροπή. Η μέγιστη ροπή ονομάζεται ροπή ανατροπής (pull out torque, breakdown torque). Η ροπή ανατροπής είναι 2 έως 3 φορές μεγαλύτερη της ονομαστικής. Όταν η ροπή του φορτίου γίνει μεγαλύτερη από τη ροπή ανατροπής, η επίδραση του sinδ είναι εντονότερη από εκείνη του μαγνητικού πεδίου και η ροπή που αναπτύσσει ο κινητήρας μειώνεται. Το αποτέλεσμα στην περίπτωση αυτή είναι ο κινητήρας να σταματήσει (παθητικό φορτίο). Σε μικρές τιμές της ολίσθησης, η μεταβολή του ρεύματος στο δρομέα και της ροπής είναι γραμμική με την ολίσθηση. Αυτό οφείλεται στην αμελητέα αντίδραση του δρομέα X rλ r, συγκριτικά με την R r r / s. Σε ροπές μεγαλύτερες από την ονομαστική, η συχνότητα των ρευμάτων στο δρομέα είναι αρκετά μεγάλη και η αντίδραση του δρομέα είναι συγκρίσιμη με την R r r / s. Έτσι, ο συντελεστής ισχύος του δρομέα cosθ r = sinδ μειώνεται. Η μεταβολή του ρεύματος του δρομέα και της ροπής περιορίζεται, σε ροπές μεγαλύτερες από την ονομαστική. Σε ροπές υψηλότερες από τη ροπή r ανατροπής, ο συντελεστής ισχύος του δρομέα γίνεται πολύ μικρός και η ροπή μειώνεται αντί να αυξάνει. Ακόμη, το ρεύμα του δρομέα είναι περίπου σταθερό. Η ροπή που αναπτύσσει ο κινητήρας στη μηδενική ταχύτητα ονομάζεται ροπή εκκίνησης (Mstart). Η ροπή εκκίνησης είναι μεγαλύτερη από την ονομαστική ροπή, συνήθως της τάξης του 150% της ονομαστικής. ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Η ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με γεννήτρια επαγωγής διπλής τροφοδοσίας (Doubly Fed Induction Generator - DFIG) αποτελεί σήμερα τον πιο διαδεδομένο τύπο συστήματος ανεμογεννήτριας. Εκτιμήθηκε ότι η κατασκευή ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας οι οποίες συνδέονται στο δίκτυο μέσω της χρήσης μετατροπέων ισχύος είναι η πλέον ελκυστική και συμφέρουσα λύση για ένα αιολικό σύστημα. Η παρουσία των μετατροπέων ισχύος στα συστήματα ανεμογεννητριών προσφέρει μεγαλύτερες δυνατότητες ελέγχου και ευκολία στην ικανοποίηση των απαιτήσεων και των προδιαγραφών οι οποίες πρέπει να πληρούνται για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Το σύστημα της ανεμογεννήτριας με γεννήτρια επαγωγής διπλής τροφοδότησης ~ 176 ~

186 χρησιμοποιεί ένα σύστημα μετατροπέων ισχύος για τη σύνδεση του δρομέα με το δίκτυο. Μέσω του συστήματος αυτού καθίσταται δυνατός ο έλεγχος της τάσης του δρομέα της γεννήτριας επαγωγής. Επομένως, είναι δυνατό να επιτευχθεί ανεξάρτητα, ο έλεγχος της παραγόμενης ενεργού και άεργου ισχύος, σε μια περιοχή ταχυτήτων περιστροφής η οποία προσεγγιστικά είναι ίση με ±30% γύρω από τη σύγχρονη ταχύτητα. Συγκρίνοντας το σύστημα αυτό, με άλλα τα οποία περιλαμβάνουν μετατροπείς ισχύος για τη διασύνδεση του στάτη της γεννήτριας με το δίκτυο, προκύπτει ότι ο μετατροπέας ισχύος χειρίζεται μικρότερη ισχύ (20% - 30% της ονομαστικής) με αποτέλεσμα μειωμένες ενεργειακές απώλειες καθώς επίσης και κόστος κατασκευής. Για όλους τους παραπάνω λόγους, το σύστημα ανεμογεννήτριας μεταβλητής ταχύτητας με γεννήτρια επαγωγής διπλής τροφοδότησης αποτελεί την πιο ελκυστική οικονομικά και σχεδιαστικά λύση, για συστήματα ανεμογεννητριών. Ουσιαστικά, η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας δεν είναι τίποτε άλλο παρά μια επαγωγική γεννήτρια με δακτυλιοφόρο δρομέα η οποία συνδέεται με το δίκτυο και έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα, επομένως ισχύει η ανάλυση η οποία περιγράψαμε παραπάνω. Ο όρος διπλής τροφοδοσίας (Doubly Fed) αναφέρεται στο γεγονός ότι η τάση στο στάτη εφαρμόζεται από το δίκτυο και η τάση στο δρομέα προκαλείται από το μετατροπέα ισχύος. Αυτό σημαίνει πως ο στάτης είναι απευθείας συνδεδεμένος με το δίκτυο ενώ τα τυλίγματα του δρομέα είναι συνδεδεμένα διαμέσου δαχτυλιδιών ολίσθησης (slip rings) με έναν μετατροπέα. Το σύστημα αυτό έχει γίνει πολύ δημοφιλές τελευταία διότι εδώ ο μετατροπέας χειρίζεται μόνο ένα κλάσμα 20% - 30% της συνολικής ισχύος. Έτσι οι απώλειες στον ηλεκτρονικό μετατροπέα μπορούν να μειωθούν σε σχέση με ένα σύστημα του οποίου ο μετατροπέας έχει να χειριστεί τη συνολική ισχύ. Επίσης, το κόστος του μετατροπέα μειώνεται. Το σύστημα αυτό επιτρέπει λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας γύρω από ένα μεγάλο αλλά με συγκεκριμένα όρια εύρος (π.χ. γιια συστήματα μεταβλητής ταχύτητας με περιορισμένο εύρος ταχύτητας, ± 30% της σύγχρονης ταχύτητας). Ο μετατροπέας εξισορροπεί τη διαφορά ανάμεσα στη μηχανική και την ηλεκτρική συχνότητα δίνοντας ένα ρεύμα δρομέα με μεταβλητή συχνότητα. ~ 177 ~

187 Το εύρος ταχύτητας της μηχανής επαγωγής διπλής τροφοδότησης παρουσιάζεται στη διπλανή εικόνα. Η μηχανή μπορεί να λειτουργήσει τόσο ως κινητήρας αλλά και ως γεννήτρια με ένα εύρος στην ταχύτητα του δρομέα +/- Δω r max γύρω από τη σύγχρονη ταχύτητα ω S. Η ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας έχει την ικανότητα να λειτουργεί είτε υπερσύγχρονα είτε υποσύγχρονα. Στην υπερσύγχρονη λειτουργία ο δρομέα τροφοδοτεί το δίκτυο (μέσω του back to back) μετατροπέα με ισχύ, ενώ στην υποσύγχρονη λειτουργία απορροφά ισχύ από αυτό. Ροή ισχύος στην υπερσύγχρονη λειτουργία ~ 178 ~

188 Ροή ισχύος στην υποσύγχρονη λειτουργία Σχηματική αναπαράσταση του υπό ανάλυση συστήματος Το σύστημα αποτελείται από μια ανεμογεννήτρια ισχύος της τάξης των MW, η οποία με τη σειρά της περιλαμβάνει τον ανεμοκινητήρα, την τριφασική επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας, τον ac/dc πλήρως ελεγχόμενο ανορθωτή ισχύος στην πλευρά της μηχανής, τη dc διασύνδεση μέσω της χρήσης ενός πυκνωτή, τον dc/ac ~ 179 ~

189 πλήρως ελεγχόμενο αντιστροφέα ισχύος στην πλευρά του δικτύου και το σε σειρά τριφασικό ωμικό επαγωγικό φίλτρο στην ac πλευρά μέχρι το ζυγό διασύνδεσης με το δίκτυο. Ο μετατροπέας που συνδέεται ανάμεσα στο δρομέα και στον τερματικό ζυγό της ανεμογεννήτριας αποτελείται από δύο μετατροπείς, δηλαδή το μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής και το μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου, οι οποίοι συνδέονται μέσω της dc πλευράς τους. Στη διεθνή βιβλιογραφία το σχήμα αυτό των μετατροπέων είναι γνωστό ως back to - back.. Ανάμεσα στους δύο μετατροπείς τοποθετείται ένας πυκνωτής σαν αποθήκη ενέργειας, με στόχο να διατηρεί μικρές τις διακυμάνσεις στην τάση της συνεχούς σύνδεσης. Με το μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής είναι δυνατό να ελεγχθεί η ροπή ή η ταχύτητα της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας και επίσης ο συντελεστής ισχύος στα τερματικά του στάτη, ενώ ο βασικός στόχος για το μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου είναι ο έλεγχος της άεργου ισχύος που ανταλλάσσεται με το δίκτυο. Για την ανάλυση του ηλεκτρομηχανικού συστήματος και του ελέγχου που εφαρμόζεται σε αυτό, είναι ανάγκη να φτάσουμε στο μαθηματικό μοντέλο που το περιγράφει. Το μοντέλο που χρησιμοποιείται είναι το ακριβές μη γραμμικό μοντέλο του συστήματος, με κάποιες απλές παραδοχές και το οποίο για το ηλεκτρικό του μέρος έχει αναπτυχθεί στο σύστημα των κάθετων αξόνων (d q πλαίσιο αναφοράς) αντί του τριφασικού. Η ανάλυση στο d q πλαίσιο αναφοράς επιβάλλεται διότι είναι καθοριστική για την ανάπτυξη και ανάλυση των μεθόδων ελέγχου. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ DFIG ΤΑ ΟΠΟΙΑ ΤΗΝ ΚΑΝΟΥΝ ΙΔΑΙΤΕΡΑ ΔΗΜΟΦΙΛΗ 1. Ελέγχει την άεργο ισχύ. 2. Αποσυνδέει τον έλεγχο της ενεργού και άεργου ισχύος με ανεξάρτητο έλεγχο του ρεύματος του δρομέα. 3. Η διαστασιολόγηση του μετατροπέα δε σχετίζεται με τη συνολική ισχύ της γεννήτριας αλλά με το επιθυμητό ποσοστό μεταβολής στη ταχύτητα λειτουργίας και επομένως με την ισχύ που μεταφέρεται μέσω του δρομέα. Δηλαδή για μέγιστη διακύμανση ταχύτητας 30% πάνω και κάτω από τη σύγχρονη,ο μετατροπέας πρέπει να διαστασιολογηθεί μόνο στο 30% της συνολικής ισχύος της μηχανής. 4. Παράγεται άεργος ισχύς η οποία μπορεί να μοιραστεί στο στάτη από τον grid side μετατροπέα. ~ 180 ~

190 5. Όταν το δίκτυο είναι ασθενές με διακυμάνσεις στην τάση,η γεννήτρια διπλής τοφοδοσίας μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να παράγει ή να καταναλώνει ένα ποσό άεργου ισχύος με σκοπό τον έλεγχο της τάσης. 6. Δεν είναι απαραίτητο να μαγνητιστεί από το δίκτυο απαιτώντας άεργο ισχύ από αυτό,αλλά μπορεί να εξασφαλίσει το απαραίτητο ρεύμα μαγνήτισης μέσα από το κύκλωμα του δρομέα. Ως αποτέλεσμα οι συστοιχίες των πυκνωτών που απαιτούνται από τις ασύγχρονες μηχανές βραχυκυκλωμένου κλωβού να μην χρειάζονται εδώ άρα να έχουμε οικονομικό όφελος. 7. Προσφέρεται πλεονέκτημα στη διαδικασία εκκίνησης και συγχρονισμού της γεννήτριας με το δίκτυο.ο συγχρονισμός είναι γρήγορος και εύκολος γιατί μπορεί να γίνει σε οποιαδήποτε ταχύτητα ωr=ω 1 (1-s max ) ελέγχοντας τον μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα και επιδιώκοντας να συγχρονίσει τις τάσεις του στάτη και του δικτύου τόσο σε μέτρο όσο και σε φάση. Η όλη διαδικασία είναι σύντομη μιας και τα ρεύματα του δρομέα ελέγχονται γρήγορα,χωρίς να απαιτείται κανένας έλεγχος και συμβολή του μηχανικού μέρους ελέγχου της μηχανής. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ DFIG 1. Aπελευθερώνεται ενέργεια χωρίς λόγο στις αντιστάσεις δρομέα 2. Yποχρεωτική χρήση δακτυλίων ψηκτρών στο κύκλωμα του δρομέα, που πέρα από τις απώλειες που εισάγουν, η φθορά τους απαιτεί συχνό έλεγχο και συντήρηση. 3. Eίναι απαραίτητα κυκλώματα αυξημένης προστασίας των μετατροπέων σε περιπτώσεις σφαλμάτων. ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ Εκτός από την ανάλυση του μοντέλου της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής σε σταθερή κατάσταση, είναι επίσης πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε πώς μπορεί να επιτευχθεί μια σταθερή κατάσταση, μετά από μια διαφορετική κατάσταση. Η δυναμική αυτή συμπεριφορά εξηγεί και καθορίζει τη συμπεριφορά των μεταβλητών της μηχανής σε μεταβατικές περιόδους, όπως επίσης και στην σταθερή κατάσταση. Έτσι λοιπόν, το δυναμικό μοντέλο μας επιτρέπει να γνωρίζουμε ανά πάσα στιγμή τη συνεχή επίδοση (όχι μόνο στη σταθερή κατάσταση) των μεταβλητών της μηχανής, όπως ροπή, ρεύματα και ροές υπό συγκεκριμένες συνθήκες παροχής τάσης. Η δυναμική μοντελοποίση μας επιτρέπει να εντοπίσουμε μη ασφαλείς ~ 181 ~

191 συμπεριφορές, όπως ανισορροπίες ή υψηλά μεταβαλλόμενα ρεύματα και μας παρέχει επιπρόσθετες πληροφορίες για το σύστημα κατά τη λειτουργία σταθερής κατάστασης, όπως: δυναμικές ταλαντώσεις, διακυμάνσεις ρεύματος ή ροπής, κλπ. Το απλούστερο και εξιδανικευμένο μοντέλο DFIG μπορεί να περιγραφεί ως τρία τυλίγματα στο στάτη και τρία στο δρομέα. Αυτά τα τυλίγματα είναι μία ιδανική αντιπροσώπευση της πραγματικής μηχανής, που βοηθάει στην άντληση ενός ισοδύναμου ηλεκτρικού κυκλώματος. Αναπαράσταση των τριφασικών κυκλωμάτων στάτη και δρομέα της DFIG ~ 182 ~

192 Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα της DFIG Υπό αυτό το εξιδανικευμένο μοντέλο, οι στιγμιαίες τάσεις στάτη, ρεύματος στάτη και ροές στάτη της μηχανής μπορούν να περιγραφούν από τις ακόλουθες ηλεκτρικές εξισώσεις : όπου R s : είναι η αντίσταση του στάτη i as (t), i bs (t), i cs (t) : είναι τα φασικά ρεύματα του στάτη (για φάσεις a,b,c) v as (t), v bs (t), v cs (t) : είναι οι εφαρμοσμένες τάσεις του στάτη ψ as (t), ψ bs (t), ψ cs (t) : είναι οι ροές στάτη Παρατηρούμε, ότι τα ηλεκτρικά μεγέθη από την πλευρά του στάτη, σε σταθερή κατάσταση, έχουν μία σταθερή ημιτονοειδή γωνιακή συχνότητα ω s ίση με τη γωνιακή συχνότητα που επιβάλλεται από το δίκτυο. Ομοίως, τα μεγέθη του δρομέα περιγράφονται από τις παρακάτω εξισώσεις : ~ 183 ~

193 όπου R r : είναι η αντίσταση του δρομέα, αναφερόμενη στο στάτη i ar (t), i br (t), i cr (t) : είναι τα φασικά ρεύματα του δρομέα, αναφερόμενα στο στάτη (των φάσεων, b και c) v ar (t), v br (t), v cr (t) : είναι οι τάσεις του δρομέα, αναφερόμενες στο στάτη ψ ar (t), ψ br (t), ψ cr (t) : είναι οι ροές στο δρομέα Κάτω από σταθερής κατάστασης συνθήκες λειτουργίας, τα μεγέθη του δρομέα έχουν σταθερή γωνιακή συχνότητα ω r. Θεωρούμε ότι όλες οι παράμετροι και τα μεγέθη του δρομέα είναι αναφερόμενα στο στάτη. Η σχέση μεταξύ της γωνιακής συχνότητας στάτη και γωνιακής συχνότητας δρομέα είναι η εξής : όπου ω m είναι η ηλεκτρική γωνιακή συχνότητα της μηχανής. Ομοίως, Ω m είναι η μηχανική γωνιακή ταχύτητα, που σχετίζεται με την ηλεκτρική συχνότητα, μέσω ενός ζεύγους πόλων p : Επομένως, οι μεταβλητές δρομέα (τάσεις, ρεύματα και ροές) παρουσιάζουν έναν παλμό ω r που ποικίλει με την ταχύτητα. Η ολίσθηση δίνεται από τον παρακάτω τύπο : Ανάλογα το πρόσημο της ολίσθησης κάθε φορά, διακρίνουμε τρεις συνθήκες λειτουργίας για τη μηχανή : ~ 184 ~

194 Για λόγους απλοποίησης, η εξάρτηση των μεγεθών από το χρόνο θα παραλείπεται. Επιπλέον, θεωρήσαμε αμελητέες τις απώλειες πυρήνα ή σιδήρου για την παρουσίαση της δυναμικής μοντελοποίησης της DFIG. O ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ PARK Στη μελέτη των συστημάτων ενέργειας, συχνά χρησιμοποιούνται μαθηματικοί μετασχηματισμοί προκειμένου να υπάρξει αποσύζευξη των μεταβλητών αλλά και να εξυπηρετηθεί καλύτερα η επίλυση δύσκολων εξισώσεων με μεταβλητού χρόνου συντελεστές. Πολύ σύνηθες είναι και το γεγονός της χρήσης μετασχηματισμών προκειμένου όλες οι μεταβλητές να αναφέρονται σε κοινό πλαίσιο αναφοράς. Ένας συχνά χρησιμοποιούμενος μετασχηματισμός είναι ο μετασχηματισμός Park, ο οποίος είναι αρκετά γνωστός για τη χρήση του στη μοντελοποιήση ηλεκτρικών μεγεθών. Ο μετασχηματισμός Park μπορεί να εφαρμοστεί κάθε χρονική στιγμή σε τριφασικά συστήματα που εξαρτώνται από το χρόνο. Έτσι, μπορεί να συμπεριλάβει είτε τη μόνιμη είτε τη μεταβατική κατάσταση λειτουργίας. Για την εξάλειψη των χρονικά μεταβαλλόμενων μεγεθών και την απλοποίηση των εξισώσεων της επαγωγικής μηχανής, χρησιμοποιείται ο μετασχηματισμός Park, πάνω στον οποίο στηρίζεται και η θεωρία του διανυσματικού ελέγχου και ο οποίος μετατρέπει τις a b c τριφασικές ποσότητες σε ένα νέο σύνολο αντίστοιχων ποσοτήτων που ονομάζονται συνιστώσες. Αυτές οι συνιστώσες ευθέος άξονα, εγκάρσιου άξονα και μηδενικής ακολουθίας συμβολίζονται με τους δείκτες d, q, 0 αντίστοιχα. Ωστόσο, στη μόνιμη ημιτονοειδή κατάσταση η συνιστώσα μηδενικής ακολουθίας (ομοπολική συνιστώσα) είναι μηδέν και άρα το σύστημα που προκύπτει από το μετασχηματισμό Park αποτελείται από τις άλλες δύο συνιστώσες. Έτσι, η συνιστώσα εγκάρσιου άξονα αποτελεί τον κάθετο άξονα q ο οποίος προηγείται της συνιστώσας ευθέως άξονα που αποτελεί τον ευθύ άξονα d κατά 90 και περιστρέφεται με γωνιακή συχνότητα ω s. To d q σύστημα συντεταγμένων μπορεί επίσης να παραμένει ακίνητο (ω s = 0). Θεωρώντας γωνία θ = ω s t + θ ο με ω s κάποια αυθαίρετη γωνιακή ταχύτητα, t το χρόνο και θ ο την αρχική γωνία, ο μετασχηματισμός Park των μεγεθών f A, f B, f C δίνεται από την παρακάτω σχέση: ~ 185 ~

195 = Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η ανάλυση του πραγματικού τριφασικού συστήματος σε δύο άξονες d - q κάθετους μεταξύ τους. Επιπλέον προκύπτει και ο τρίτος άξονας, ο οποίος ονομάζεται συνιστώσα μηδενικής συχνότητας ή ομοπολική συνιστώσα και είναι ανεξάρτητη από τη γωνία στροφής θ και για την συμμετρική λειτουργία έχει μηδενικές τιμές και παραλείπεται συνήθως στο διανυσματικό έλεγχο. Ο άξονας d ονομάζεται ευθύς άξονας, ο άξονας q εγκάρσιος και ο q προηγείται του d κατά 90 ο ενώ ο άξονας 0 είναι κάθετος στο επίπεδο της σελίδας. Ο συντελεστής στη μήτρα του μετασχηματισμού είναι αυθαίρετος και η επιλογή του σημαίνει ότι το πλάτος του χωρικού διανύσματος είναι ίσο με το πλάτος του φυσικού μεγέθους. Σχηματική αναπαράσταση των αξόνων d και q πλαισίου αναφοράς με αυθαίρετη ταχύτητα περιστροφής Ο αντίστροφος μετασχηματισμός ο οποίος μετατρέπει το διφασικό σύστημα f d f q στο τριφασικό f A, f B, f C δίνεται από την παρακάτω σχέση: = ~ 186 ~

196 Ο μετασχηματισμός Park είναι εξαιρετικά χρήσιμος διότι στη μόνιμη κατάσταση μετατρέπει όλα τα εναλλασσόμενα μεγέθη σε συνεχή. Έτσι, έχουμε ανεξαρτησία των επαγωγιμοτήτων από την ημιτονοειδή συχνότητα και μετατροπή του συστήματος εξισώσεων της μηχανής από μη γραμμικό σε γραμμικό και από συζευγμένο σε ανεξάρτητο (κάτω βέβαια από κατάλληλες προϋποθέσεις, όπου καθοριστικό ρόλο σε αυτές έχει ο προσανατολισμός του πλαισίου αναφοράς). ΜΟΝΤΕΛΟ d q Οι διαφορικές εξισώσεις που εκπροσωπούν το μοντέλο της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής, προκύπτουν, χρησιμοποιώντας τη σημειογραφία χωρικού διανύσματος, στο σύγχρονο πλαίσιο αναφοράς. Οι εξισώσεις τάσεων της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής, υπό μορφή χωρικού διανύσματος είναι: όπου : είναι το χωρικό διάνυσμα της τάσης του στάτη : είναι το χωρικό διάνυσμα του ρεύματος του στάτη : είναι το χωρικό διάνυσμα της ροής στο στάτη Η πρώτη εξίσωση παριστάνεται με συντεταγμένες στάτη (a b πλαίσιο αναφοράς). : είναι το χωρικό διάνυσμα της τάσης του ρότορα : είναι το χωρικό διάνυσμα του ρεύματος του ρότορα : είναι το χωρικό διάνυσμα της ροής στο ρότορα Η δεύτερη εξίσωση παριστάνεται με συντεταγμένες ρότορα (d q πλαίσιο αναφοράς). Να σημειώσουμε, εδώ, ότι οι εκθέτες s και r δηλώνουν πως τα χωρικά διανύσματα αναφέρονται στα πλαίσια αναφοράς του στάτη και του ρότορα, αντίστοιχα. Από την άλλη πλευρά, η συσχέτιση μεταξύ των ροών και των ρευμάτων, σε σημειογραφία χωρικού διανύσματος, δίνεται από τις εξής σχέσεις : ~ 187 ~

197 όπου L s, L r : είναι οι αυτεπαγωγές στάτη και ρότορα, αντίστοιχα L m : είναι η μαγνητική αυτεπαγωγή Σχετίζονται δε, με την αυτεπαγωγή σκέδασης στάτη L σs και την αυτεπαγωγή σκέδασης ρότορα L σr, βάσει των παρακάτω εκφράσεων : Η πρώτη εξίσωση αναφέρεται στο πλαίσιο αναφοράς του στάτη, ενώ η εξίσωση δεύτερη είναι στο πλαίσιο αναφοράς του ρότορα. Πολλαπλασιάζοντας, τώρα, τις αρχικές εξισώσεις με και, αντίστοιχα, οι εξισώσεις τάσεων του στάτη και του ρότορα προκύπτουν από τις παρακάτω σχέσεις : όπου ω r = (ω s ω m ) Ο εκθέτης a δηλώνει τα χωρικά διανύσματα, που αναφέρονται σε ένα σύγχρονο περιστρεφόμενο πλαίσιο. Χρησιμοποιώντας τις ίδιες εκφράσεις ροής, βρίσκουμε ότι : ~ 188 ~

198 Για μία ημιτονοειδή παροχή τάσεων, σε σταθερή κατάσταση, οι συνιστώσες dq των τάσεων, ρευμάτων και ροών θα είναι σταθερές ποσότητες (σε αντίθεση με τις συνιστώσες στο τριφασικό abc σύστημα, που είναι ημιτονοειδή μεγέθη). Έτσι, το ισοδύναμο dq κυκλωματικό μοντέλο της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής, σε σύγχρονες συντεταγμένες, παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Μοντέλο d q της DFIG σε σύγχρονες συντεταγμένες Οι εκφράσεις της ροπής και της ισχύος στο d q πλαίσιο αναφοράς (ενημερωτικά, είναι ίσες με τις εξισώσεις στο τριφασικό σύστημα a b) είναι οι εξής : ~ 189 ~

199 O εκθέτης * αντιπροσωπεύει τον συζυγή μιγαδικό ενός χωρικού διανύσματος, όπως χρησιμοποιούταν στους φάσορες. Τέλος, η έκφραση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής προκύπτει από τη σχέση : Η ηλεκτρομαγνητική ροπή μπορεί, επίσης, να υπολογισθεί βάσει των παρακάτω ισοδύναμων εκφράσεων ροπής : όπου : είναι ο συντελεστής διαρροής p : τα ζεύγη των πόλων της μηχανής Και πάλι εδώ, για λόγους απλότητας, οι εκθέτες των χωρικών διανυσμάτων έχουν παραλειφθεί, από τις εκφράσεις της ισχύος και της ροπής. Να σημειώσουμε, επίσης, ότι οι παράμετροι του μοντέλου της μηχανής : R s, R r, L σs, L σr και L m είναι οι ίδιοι, τόσο για σταθερής κατάστασης, όσο και για δυναμικά μοντέλα. ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΟΥ d q ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΣΤΟ ΧΩΡΟ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Συνεχίζοντας με τη μελέτη του δυναμικού μοντέλου, είναι δυνατόν να επιτύχουμε μία αντιπροσώπευση του μοντέλου d q με εξισώσεις του χώρου κατάστασης. Από τις παραπάνω εξισώσεις και παίρνοντας τις ροές ως μεγέθη στο χώρο κατάστασης, το μοντέλο της DFIG θα δίνεται από την επόμενη έκφραση : Επεκτείνοντας την τελευταία έκφραση στις συνιστώσες d q, θα έχουμε : ~ 190 ~

200 Εάν στην θέση των ροών επιλεγούν τα ρεύματα, ως μεγέθη στο χώρο κατάστασης, το ισοδύναμο μοντέλο της DFIG εκφράζεται ως ακολούθως, στο σύγχρονο πλαίσιο αναφοράς : Αναλύοντας στις συνιστώσες d q, βρίσκουμε την παρακάτω εξίσωση : Οι αναπαραστάσεις της DFIG στο χώρο κατάστασης, στο πλαίσιο αναφοράς dq, είναι ιδιαίτερα χρήσιμες στο να πετυχαίνουν την σταθερή κατάσταση, για δοσμένες τάσεις εισόδου στάτη και ρότορα. EKTIMHΣΗ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ d q ~ 191 ~

201 Χρησιμοποιώντας την αναπαράσταση d q της DFIG στο χώρο κατάστασης, είναι δυνατό να αντλήσουμε απλά τα μεγέθη σταθερής κατάστασης στη μηχανή. Για παράδειγμα, σε σταθερή κατάσταση, τα παράγωγα των ροών ισούται με μηδέν : Ως εκ τούτου, η έκφραση του χώρου κατάστασης είναι η εξής : Αναδιατάσσοντας τους όρους, οι ροές d q σε ρότορα και στάτη μπορούν να υπολογιστούν, ως εξής : ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ Στο σημείο αυτό, θα αναλύσουμε τις βασικές έννοιες που σχετίζονται με τον μετατροπέα back to - back (που είναι γνωστός και ως αντιστρεπτός (reversible) ή αμφίδρομος (bidirectional)), τόσο από την πλευρά του δικτύου, όσο κι από την πλευρά του δρομέα. Έτσι, θα ασχοληθούμε με τον ίδιο τον μετατροπέα, αλλά και με τα στενά συνδεδεμένα στοιχεία με αυτόν, όπως είναι τα φίλτρα, η σύνδεση DC και ο έλεγχος (μόνο από την πλευρά δικτύου). Συγκεκριμένα, περιγράφεται ο κλασσικός και κοινά χρησιμοποιούμενος δύοεπιπέδων μετατροπέας πηγής τάσης (VTC), εξετάζεται το μοντέλο του και κατόπιν, δίνεται με μία σύντομη περιγραφή των φίλτρων που χρησιμοποιούνται για τον ~ 192 ~