Εισαγωγή στην Ενεργειακή Τεχνολογία Αιολική ενέργεια

Transcript

1 Εισαγωγή στην Ενεργειακή Τεχνολογία Αιολική ενέργεια Νίκος Μαµάσης Τοµέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αθήνα 213 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αιολική ονοµάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκµετάλλευση του πνέοντος ανέµου Χρησιµοποιείται από την αρχαιότητα στη ναυσιπλοΐα Πρόκειται για ανανεώσιµη πηγή ενέργειας, µε ανεξάντλητη και χωρίς κόστος πρώτη ύλη που δεν ρυπαίνει το περιβάλλον Αξιοποιείται στην παραγωγή µηχανικής (αλευρόµυλοι, άντληση υπόγειων νερών, αποστράγγιση) και ηλεκτρικής (ανεµογεννήτριες) ενέργειας Το όνοµα προέρχεται από την ελληνική µυθολογία. ΟΑίολοςείχεοριστείαπό τον ια κλειδοκράτορας τον ανέµων και τους προκαλούσε ή τους σταµατούσε κατά βούληση. Οι οκτώ άνεµοι ήταν: Βορέας, Καικίας, Απηλιώτης, Εύρος, Νότος, Λιψ, Ζέφυρος, Σκίρων Κατόπιν φτάσαµε σε ένα νησί, την Αιολία, ένα νησί που ζούσε ο Αίολος, γιός του Ιπποτάδη, φίλος των αθάνατων θεών. Το νησί ήταν πλωτό ζωσµένο από άρρηκτα χάλκινα τείχη, που υψώνονταν κατακόρυφα στα βράχια (Οδύσσεια 1.1) 1

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η πρώτη χρήση αιολικής ενέργειας έγινε στη ναυσιπλοΐα, ενώ οι πρώτοι ανεµόµυλοι χρησιµοποιήθηκαν για άλεσµα δηµητριακών και άντληση νερού. Οι αρχαιότεροι ανεµόµυλοι (κατακόρυφου άξονα) κατασκευάστηκαν στην Περσία τον 6 ο έως τον 9 ο αιώνα µ.χ., ενώ η πρώτη γραπτή αναφορά γίνεται στην Κίνα το 13 ο αιώνα µ.χ. Στην Ευρώπη αναπτύχθηκαν διάφορα είδη ανεµόµυλου (οριζόντιου άξονα) από τον 13 ο αιώνα και πιθανόν οι νερόµυλοι να αποτέλεσαν πρότυπο για την κατασκευή τους Το 17 ο αιώνα η τεχνολογία µεταφέρεται στην Αµερική όπου οι ανεµόµυλοι χρησιµοποιήθηκαν κυρίως για άντληση νερού Στην Ελλάδα (ειδικότερα στο Αιγαίο) η χρήση ανεµόµυλων χρονολογείται από το 13ο αιώνα. Το 196 υπήρχαν 1 ανεµόµυλοι στο Οροπέδιο Λασιθίου, 25 στην υπόλοιπη Κρήτη, και 6 στη Ρόδο Ο πρώτος ανεµόµυλος για παραγωγή ηλεκτρισµού κατασκευάστηκε το 1888 στο Cleveland του Ohio. Είχε διάµετρο πτερωτής 17 µέτρα και ισχύ 12 kw Σήµερα η ανία χώρα πλούσια σε αιολικό δυναµικό έχει τα πρωτεία στην κατασκευή αλλά και στην χρήση ανεµογεννητριών Πριν 3 χρόνια, µια τυπική ανεµογεννήτρια ήταν της τάξης των 25 kw. Σήµερα, οι αιολικές µηχανές που κατασκευάζονται είναι της τάξης των kw ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Βορέας (Τραµουντάνα) Σκίρων (Μαΐστρος) Καικίας (Γραίγος) Ζέφυρος (Πουνέντες) Οι οκτώ βοηθοί του Αιόλου απεικονίζονται στον πύργο των Αέρηδων (κτίσµα του 1 ου π.χ. αιώνα) στην Πλάκα. Απηλιώτης (Λεβάντες) Λιψ (Γαρµπής) Νότος (Όστρια) Εύρος (Σιρόκος) 2

3 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Πύργος των Ανέµων Το επίσηµο όνοµα είναι Ωρολόγιο του Κυρρήστου, (το κατασκεύασε ο Ανδρόνικος ο Κύρρηστος τον 1 ο αιώνα π.χ.). Είχε ανεµοδείκτη, ηλιακό ρολόι και ίσως υδραυλικό ρολόι) Αναπαράσταση του Πύργου των Ανέµων (J. Stuart & N.Revett) ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Πύργος των Ανέµων ΖΕΦΥΡΟΣ ή Πουνέντες ( ). Ευχάριστος, ζεστός και ευνοεί τη βλάστηση. Κυρίως εµφανίζεται την άνοιξη. Απεικονίζεται ως όµορφος νέος που πετά αβίαστα και µε χάρη. Είναι γυµνός και φέρει µόνο ένα µανδύα που τον κρατάει µε τέτοιο τρόπο ώστε να σχηµατίζει ποδιά, η οποία είναι γεµάτη µε ανοιξιάτικα λουλούδια. ΣΚΙΡΩΝ ή Αργέστης ή Μαΐστρος (Β ). Ξηρός και ψυχρός τον χειµώνα, καυτός και βίαιος το καλοκαίρι. Επηρεάζει άσχηµα την υγεία των ανθρώπων και εµποδίζει τη βλάστηση των λαχανικών. Πήρε το όνοµα του από τις Σκιρωνίδες Πέτρες (Κακιά Σκάλα), επειδή πιστευόταν ότι έπνεε από εκεί. Παριστάνεται βλοσυρός και σκυθρωπός, φορά βαριά ρούχα και κρατάει ένα ανεστραµµένο αγγείο που εκτιµάται ότι είναι τεφροδοχείο µε το οποίο σκορπά στους ανθρώπους και στη φύση στάχτες και αναµµένα κάρβουνα. ΒΟΡΕΑΣ ή Βοριάς ή Τραµουντάνα (Β). Πολύ ψυχρός, δριµύς και πολλές φορές θυελλώδης. Παριστάνεται ως γηραιός άνδρας που φυσά σ' ένα θαλασσινό κοχύλι. Το κοχύλι συµβολίζει τον θόρυβο που κάνει ο Βοριάς όταν φυσά µέσα στις σπηλιές της Αττικής. ΚΑΙΚΙΑΣ ή Γρέγος (ΒΑ). Φέρνει υγρά και βαριά σύννεφα, κρύο µε χιόνι και θύελλες. Έχει όψη αυστηρού γέροντα. Κρατάει ασπίδα µέσα στην οποία υπάρχει χαλάζι το οποίο το σκορπά από όπου περνάει. Περιγραφή: J. Stuart & N.Revett 3

4 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΗΛΙΩΤΗΣ ή Λεβάντες (Α). Ανατολικός άνεµο (από ηλίου) που φέρνει την ήπια βροχή η οποία γονιµοποιεί τη γη. Έχει την εµφάνιση νέου άνδρα µε λεπτά και ευγενικά χαρακτηριστικά. Στα χέρια του κρατάει προϊόντα της γης που γονιµοποιεί: φρούτα, στάχυα και µια κηρήθρα. ΕΥΡΟΣ ή Σιρόκος (ΝΑ). Φέρνει πολλές βροχές και αποπνικτικό, ζεστό και υγρό καιρό. Παριστάνεται ως ηλικιωµένος άνδρας µε δύστροπη όψη. εν κρατάει τίποτα και είναι ο µόνος από τους ανέµους που δεν έχει να προσφέρει κάτι. Κρατάει απλώς τον µανδύα του. ΝΟΤΟΣ ή Νοτιάς η Όστρια (Ν). Ιδιαίτερα αποπνικτικός, πολύ υγρός και ζεστός άνεµος. Απεικονίζεται ως νεαρός άνδρας που κρατάει µια υδρία ανάποδα, συµβολίζοντας έτσι την υγρασία που προκαλεί. ΛΙΨ ΛΙΒΑΣ ή Γαρµπής (Ν ). Ο άνεµος που πνέει από τον Σαρωνικό προς την Αθήνα. Κατά τον Ηρόδοτο έρχεται από τη Λιβύη, από την οποία πήρε και το όνοµα του. Απεικονίζεται ως δυνατός και υγιής άνδρας. Στα χέρια του κρατάει τµήµα της πρύµνης ενός πλοίου, υπονοώντας ότι το πλοίο του που έχει στην πρύµνη του τον Λίβα είναι καλοτάξιδο. Οι Έλληνες µετά τη νίκη τους στη ναυµαχία της Σαλαµίνας είχαν αφιερώσει στους ελφούς άγαλµα του Απόλλωνα που στο χέρι του κρατούσε τµήµα της πρύµνης, συµβολίζοντας τα πλοία των Περσών που είχαν παρασυρθεί και καταστραφεί από τον άνεµο Λίβα. Περιγραφή: J. Stuart & N.Revett ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αντίγραφο του πρώτου Περσικού µύλου Μεσογειακός Αµερικάνικος (18 oς αιώνας) 4

5 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ανικός Ολλανδικός Αγγλικός ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΑΝΕΜΩΝ ΠΟΛΗ Α ΠΟΛΗ Β ΠΟΛΗ Α ΠΟΛΗ Β ΨΥΧΡΟΣ ΑΕΡΑΣ ΘΕΡΜΟΣ ΑΕΡΑΣ Ι ΙΑ ΠΙΕΣΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ Ι ΙΑ ΠΙΕΣΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΠΟΛΗ Α ΠΟΛΗ Β Χ ΚΙΝΗΣΗ ΑΕΡΑ Υ Η ΠΙΕΣΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΑΥΞΑΝΕΤΑΙ Η ΠΙΕΣΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΜΕΙΩΝΕΤΑΙ 5

6 ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΑΝΕΜΩΝ ΘΑΛΑΣΣΙΑ ΑΥΡΑ ΑΠΟΓΕΙΟΣ ΑΥΡΑ Υ Χ Χ Υ Χ Ζεστό Υ Ψυχρό Υ Ψυχρό Χ Ζεστό ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΑΝΕΜΩΝ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΑΕΡΑ ΣΕ ΟΡΕΙΝΗ ΚΟΙΛΑ Α Ηµέρα Νύκτα 6

7 ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΑΝΕΜΩΝ ΜΟΥΣΩΝΕΣ Υψηλή πίεση, Τροπικός του Καρκίνου ΕΙΡΗΝΙΚΟΣ ΩΚΕΑΝΟΣ ITCZ Τροπικός του Καρκίνου ΕΙΡΗΝΙΚΟΣ ΩΚΕΑΝΟΣ ΙΝ ΙΚΟΣ ΩΚΕΑΝΟΣ ΙΝ ΙΚΟΣ ΩΚΕΑΝΟΣ ITCZ εκέµβριος-ιανουάριος Υψηλή πίεση Τροπικός του Αιγόκερω ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm) GOA (INDIA) ΕΤΟΣ: mm Υψηλή πίεση Τροπικός του Αιγόκερω Ιούνιος-Ιούλιος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΪ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΑΝΕΜΩΝ ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΜΕ ΤΡΙΑ ΚΥΤΑΡΑ Πολικός αντικυκλώνας Πλάτη αλόγων Ηadley cells Υ Υ Χ Υ Χ Χ Υ Χ Υ Πλάτη νηνεµίας Παραδοχές: Περιστρεφόµενη γη Οµοιόµορφα καλυµµένη µε νερό Ο ήλιος είναι πάνω από τον ισηµερινό Χ Πολικό µέτωπο Υ Τροπικές υφέσεις 7

8 ΚΛΙΜΑΚΑ BEAUFORT Ταχύτητα ανέµου B Χαρακτηρισµός m/s km/h κόµβοι Άπνοια -.2 < 1 < 1 1 Σχεδόν άπνοια < 1 2 Πολύ ασθενής Ασθενής Σχεδόν µέτριος Μέτριος Ισχυρός Πολύ ισχυρός Θυελλώδης Πολύ θυελλώδης Θύελλα Ισχυρή θύελλα Τυφώνας >= 32.7 >= 118 >= 64 Περιστατικά θυελλωδών ανέµων στην Ελλάδα Ηµεροµηνία Περιοχή Μέγεθος Παρατηρήσεις 21/7/1983 Θεσσαλονίκη 15 km/h > 12 Β 14-15/7/1985 Αιγαίο 11 Β 11/1/1987 Σαρωνικός 15 km/h > 12 Β Ανθρώπινα θύµατα 6/1/1993 Κύθηρα 12 Β 3/1/1994 Αιγαίο 12 Β 25-26/3/1998 Αττική 12 Β Καταστροφές 14/1/21 Αττική 12 Β Πτώση ελικοπτέρου 1-2/12/21 Νότιο Αιγαίο 12 Β 6-7/2/23 ωδεκάνησα 11 Β 17/3/23 Πελοπόννησος 12 Β 17/12/23 Αιγαίο 11 Β 22/1/24 Λήµνος 15 km/h 14 Β Πηγή: Γ. Μελανίτης, Ο καιρός και τα µυστικά του 8

9 ΜΕΓΕΘΗ ΑΝΕΜΩΝ ΤΡΟΠΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝΩΝ Τροπική ύφεση Τροπική θύελλα Τροπικός κυκλώνας Κατηγορία Saffir- Simpson ΗΠΑ Μέγιστη ταχύτητα ανέµου (km/h) > κόµβους κόµβους > 64 κόµβους ΙΑΠΩΝΙΑ Μέγιστη ταχύτητα ανέµου Κατηγορία (km/h) > 194 ΑΥΣΤΡΑΛΙΑ Μέγιστη ταχύτητα Κατηγορία ανέµου (km/h) 1 < > 28 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Οριζοντίου άξονα 9

10 Υπεράκτια αιολικά πάρκα Η εγκατάσταση υπεράκτιων αιολικών πάρκων κερδίζει συνεχώς έδαφος Το 22 κατασκευάστηκε το µεγαλύτερο πάρκο στη δυτική ακτή της ανίας (Horns Rev) σε απόσταση 14-2 km µέσα στη Βόρεια Θάλασσα ενώ η κυβέρνηση στοχεύει να εγκαταστήσει 4 MW στα νερά της, έως το 23. ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Κατακορύφου άξονα Η κατακόρυφη ανεµογεννήτρια του σχήµατος είναι η πιο διαδεδοµένη. Ονοµάζεται Darrieus από τον Γάλλο µηχανικό που την κατοχύρωσε το Πλεονεκτήµατα δεν χρειάζονται σύστηµα προσανατολισµού η ηλεκτρική γεννήτρια είναι στο έδαφος Μειονεκτήµατα εκµεταλλεύονται µικρότερες ταχύτητες ανέµου (αφού είναι κοντά στο έδαφος) έχουν µικρότερο συντελεστή ισχύος η στερέωση στο έδαφος απαιτεί εγκαταστάσεις που καταλαµβάνουν µεγάλο εµβαδόν 1

11 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ανεξαρτησία από ορυκτά καύσιµα (δεν επιβαρύνει το περιβάλλον µε αέριους ρύπους, παρέχει προστασία έναντι της αστάθειας τιµών των ορυκτών καυσίµων) Ιδιαίτερα φιλική στο περιβάλλον µε αµελητέες επιδράσεις στη πανίδα και ελάχιστες απαιτήσεις γης Τεχνολογικά ώριµη, οικονοµικά ανταγωνιστική, γρήγορη και τυποποιηµένη συναρµολόγηση και εγκατάσταση Χαµηλό λειτουργικό κόστος Ελεύθερη, άφθονη και ανεξάντλητη πηγή ενέργειας Βοηθά στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήµατος µειώνοντας απώλειες µεταφοράς ενέργειας Ενισχύει την ενεργειακή ανεξαρτησία κάθε χώρας ηµιουργεί θέσεις απασχόλησης στην περιφέρεια Σύστηµα παραγωγής ενέργειας µε µικρές απώλειες Ανεξάρτητη από κεντρικά δίκτυα διανοµής ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ο εκπεµπόµενος θόρυβος προέρχεται από τα περιστρεφόµενα µηχανικά τµήµατα και από την περιστροφή των πτερυγίων. Εκτιµάται σε περίπου 44 db σε απόσταση 2 m για ταχύτητα ανέµου 8 m/s Η οπτική όχληση είναι κάτι υποκειµενικό αλλά κάποιος που είναι ευνοïκά διακείµενος απέναντι στην ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας, αποδέχεται οπτικά τις ανεµογεννήτριες. εδοµένου ότι οι ανεµογεννήτριες είναι ορατές από απόσταση, πρέπει να γίνεται προσπάθεια ενσωµάτωσης τους στο τοπίο. Η επίδραση στις γεωργικές και κτηνοτροφικές δραστηριότητες. Το 99 της γης που φιλοξενεί ένα αιολικό πάρκο είναι διαθέσιµο για άλλες χρήσεις. Το ποσοστό των πουλιών που σκοτώνονται ετησίως από πρόσκρουση σε ανεµογεννήτριες είναι ασήµαντο (.5) σχετικά µε το αυτό που οφείλεται σε πρόσκρουση µε οχήµατα και τις γραµµές µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (6). Πάντως θα πρέπει να λαµβάνονται υπόψη στη χωροθέτηση τυχόν προστατευόµενες περιοχές και να εξετάζεται η τοποθέτηση συστήµατος υπερήχων Η απρόβλεπτη διακύµανση ενέργειας που δίνουν οι αιολικές µηχανές Κατασκευή σηµαντικών οδικών έργων σε απρόσιτες περιοχές 11

12 Επιφάνεια ανεµογεννητριών-φωτοβολταϊκών ισχύος 18 MW Τύπος: ENERCON E112 Ισχύς: 45 kw ιάµετρος: 114 m Αριθµός: 4 Επιφάνεια: 4828 m 2 Τύπος: ENERCON E-66 Ισχύς: 15 kw ιάµετρος: 66 m Αριθµός: 12 Επιφάνεια: 4154 m 2 Πύργος Αθηνών (13 m) Έκταση Φ/Β:.37 km 2 (.8 % της έκτασης του δήµου) Τύπος: VESTAS V-39 Ισχύς: 5 kw ιάµετρος: 39 m Αριθµός: 36 Επιφάνεια: 435 m 2 Τύπος: NORDEX N-27 Ισχύς: 25 kw ιάµετρος: 27 m Αριθµός: 72 Επιφάνεια: m 2 Μέτρον άριστον Η εγκατεστηµένη ισχύς στην Ικαρία σήµερα είναι 12.5 MW (από θερµοηλεκτρικό σταθµό και ανεµογεννήτρια). Η µέγιστη προβλεπόµενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας σε περίοδο αιχµής, είναι 9 MW. Η ολοκλήρωση της κατασκευής του υβριδικού έργου στη υτική Ικαρία το οποίο συνδυάζει υδατόπτωση και αιολική ενέργεια, θα δίνει στην Ικαρία ενεργειακή αυτονοµία προσφέροντας 6.5 επιπλέον MW. Πηγή: 12

13 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Κύρια µέρη 1. Πύργος. Είναι κυλινδρικής µορφής κατασκευασµένος από χάλυβα και συνήθως αποτελείται από δύο η τρία συνδεδεµένα τµήµατα. 2. Θάλαµος που περιέχει τα µηχανικά υποσυστήµατα (κύριος άξονας, σύστηµα πέδησης, κιβώτιο ταχυτήτων ηλεκτρογεννήτρια) Ο κύριος άξονας µε το σύστηµα πέδησης είναι παρόµοιος µε τον άξονα των τροχών ενός αυτοκινήτου µε υδραυλικά δισκόφρενα. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι παρόµοιας κατασκευής µε εκείνο του αυτοκινήτου µε την διαφορά ότι έχει µόνον µια σχέση. Η ηλεκτρογεννήτρια είναι παρόµοια µε αυτές που χρησιµοποιούνται στους σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη. 3. Ηλεκτρονικά συστήµατα ελέγχου ασφαλούς λειτουργίας. Αποτελούνται από ένα η περισσότερα υποσυστήµατα µικροελεγκτών και εξασφαλίζουν την εύρυθµη και ασφαλή λειτουργία της ανεµογεννήτριας σε όλες τις συνθήκες. 4. Τα πτερύγια. Είναι κατασκευασµένα από σύνθετα υλικά (υαλονήµατα και ειδικές ρητίνες), σχεδιασµένα για να αντέχουν σε µεγάλες καταπονήσεις ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Χαρακτηριστικά µεγέθη 1. ιάµετρος της πτερωτής D. Μια τυπική µηχανή 1MWέχει διάµετρο πτερωτής 55 m 2. Ύψος τοποθέτησης Η. Συνήθως 1<Η/D<2 3. Πλήθος των πτερυγίων. Έχουν επικρατήσει οι αιολικές µηχανές µε 3 πτερύγια. Με λιγότερα πτερύγια (2 ή 1) απαιτείται µεγαλύτερη ταχύτητα περιστροφής για το ίδιο ενεργειακό αποτέλεσµα που συνεπάγεται περισσότερο θόρυβο και φθορές, µε µόνο πλεονέκτηµατοµικρότερο κόστος. 4. Είδος των πτερυγίων (πάχος, υλικό). Οι πολύ συµπαγείς πτερωτές (πολλά ή φαρδιά πτερύγια) σηµαίνει ότι ξεκινάνε τη λειτουργία τους µε µικρές ταχύτητες ανέµου αλλά θα πρέπει να βγαίνουν εκτός λειτουργίας στις µεγάλες ταχύτητες Κλασικό παράδειγµα τέτοιων ανεµοµύλων αποτελούν οι αµερικανικοί του 18 ου αιώνα οι οποίοι αντλούσαν σταθερά µικρή ποσότητα νερού όλο το χρόνο. 5. Ονοµαστική ταχύτητα περιστροφής. Συνδέεται µε παράγοντες όπως η συχνότητα του ηλεκτρικού δικτύου και η αντοχή των πτερυγίων σε φυγόκεντρες τάσεις. 6. Συντελεστής ισχύος C. Υπολογίζεται από το πηλίκο της παραγόµενης ηλεκτρικής ισχύος προς την εισερχόµενη ενέργεια του αέρα. Ουσιαστικά είναι ο αεροδυναµικός βαθµός απόδοσης πτερωτής και έχει µέγιστο όριο την τιµή C<=16/27=.593 (όριο Betz, 1919). Πρακτικά στην περίπτωση καλού σχεδιασµού ο συντελεστής κυµαίνεται στο Ονοµαστική ισχύς. Η µέγιστη ισχύς που µπορεί να παραγάγει η ανεµογεννήτρια 13

14 ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Θεωρητική αιολική ισχύς I= E / t = (1/2) mv 2 / t = (1/2) ρ LAV 2 / t = (1/2) ραv 3 I αιολική ισχύς (W) E κινητική eνέργεια (J) t χρόνος (s) m µάζα αέρα (kg) V ταχύτητα ανέµου (m/s) ρ πυκνότητα αέρα (kg/m 3 ) A επιφάνεια αναφοράς (m 2 ) L διαδροµή ανέµου σε χρόνο t (m) A (m 2 ) Ονοµαστική ισχύς ανεµογεννήτριας V (m/s) L (m) I = (1/2) C η Μ η Ε ραv 3 C συντελεστής ισχύος η Μ βαθµός απόδοσης µηχανικού συστήµατος η H βαθµός απόδοσης ηλεκτροµηχανικής µετατροπής ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (kw) ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Θεωρητική αιολική ισχύς συναρτήσει της ταχύτητας Πυκνότητα αέρα:1.225 kg/m Θεωρητική ισχύς συναρτήσει της διαµέτρου (ταχύτητα 1 m/s) D =1 m D =1 m D =1 m I =.48 kw I =48.1 kw I =4.8 MW Θεωρητική Ισχύς (kw) ιάµετρος: 3 m ιάµετρος: 2 m ιάµετρος: 1 m ιάµετρος (m) 14

15 ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Θεωρητική αιολική ενέργεια για D=1 m ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) Ισοκατανοµή ταχυτήτων ανέµου Συνολική ενέργεια: 929 kwh/y Μέση τιµή ταχύτητας: 1 m/s Ενέργεια µέσης τιµής: 4213 kwh/y ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) Συµµετρική κατανοµή ταχυτήτων ανέµου Συνολική ενέργεια: 74 kwh/y Μέση τιµή ταχύτητας: 1.5 m/s Ενέργεια µέσης τιµής: 4877 kwh/y ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) Τυπική κατανοµή ταχυτήτων ανέµου Συνολική ενέργεια: 257 kwh/y Μέση τιµή ταχύτητας: 7.2 m/s Ενέργεια µέσης τιµής: 1582 kwh/y ΟΡΙΟ BETZ Σε αυτοκινητόδροµο µε συνεχή ροή τα αυτοκίνητα εισέρχονται σε σταθµό διοδίων µε ταχύτητα V 1 =1 m/s και εξέρχονται µε ταχύτητα (V 2 ) που είναι συνάρτηση της τιµής των διοδίων Τ (<=T<=1 EURO) και δίδεται από τη σχέση V 2 (m/s)=1-t. Ποια είναι η τιµή των διοδίων που µεγιστοποιεί τις ηµερήσιες εισπράξεις; ιόδια Ταχύτητα εισόδου:v 1 =1 m/s Ταχύτητα εξόδου: V 2 =1-T m/s Τιµή (Τ): -1 EURO Εισπράξεις (EURO/h) 1 1 ΙΟ ΙΑ (EURO) ΕΙΣΠΡΑΞΕΙΣ (EURO) ΤΑΧΥΤΗΤΑ (m/s) ΤΑΧΥΤΗΤΑ (m/s) 15

16 V ταχύτητες ανέµου A επιφάνειες Q παροχή Εξίσωση συνέχειας Q=A 1 V 1 =AV A =A 2 V 2 => av A A 1 =AV A =bva 2 => A 1 =A/a και Α 2 =Α/b V 1 =av A ΟΡΙΟ BETZ A 2 A 1 A V A V 1 V 2 V 2 =bv A Εξίσωση ενέργειας Αν Ε είναι η ενέργεια ανά µονάδα εισερχόµενης µάζας που µετατρέπεται σε ηλεκτρισµό τότε: Ε=.5V V 22 =.5V A2 (a 2 -b 2 ) (1) Η διερχόµενη µάζα στη µονάδα του χρόνου είναι ρ*α*v A Άρα η παραγόµενη ισχύς (ενέργεια στη µονάδα του χρόνου) είναι P=ρΑV A E=.5ρΑV A3 (a 2 -b 2 ) (2) Εξίσωση ορµής Η δύναµη (F) στην πτερωτή τότε F=ρQ(V 1 -V 2 )=ραv A (V 1 -V 2 )=ραv A2 (a-b) Το έργο (P) που παράγει η δύναµη (F) στη µονάδα του χρόνου (ισχύς) είναι: P=FV A =ραv A3 (a-b) (3) Συνδυάζοντας τις σχέσεις ενέργειας (2) και ενέργειας (3) προκύπτει:.5ραv A3 (a 2 -b 2 )=ραv A3 (a-b)=>.5(a-b)(a+b)=a-b=>a+b=2 (4) Άρα: V A =.5(V 1 +V 2 ) ΟΡΙΟ BETZ Συνδυάζοντας τις σχέσεις (3) και (4) ηισχύς (P) είναι: P=ρΑV A3 (2a-2)= 2ρΑV A3 (a-1) (5) Από την σχέση (5) η ισχύς P συναρτήσει της ταχύτητας ανέµου στο περιβάλλον πριν την εγκατάσταση V 1 είναι : P=2ρΑ(V 1 /a) 3 (a-1)=2ρα(v 1 ) 3 (a -2 -a -3 ) (6) Η ισχύς P µεγιστοποιείται όταν µηδενίζεται η πρώτη παράγωγος ως προς a -2a -2 +3a -4 = άρα a=1.5, b=.5 και V 1 =3V 2 Από τη σχέση (6) η µέγιστη δυνατή ισχύς P max είναι: P max =2ρΑ(V 13 (2/3) 3 (3/2-1)= (2/3) 3 ρα(v 1 ) 3 Μηδενίζοντας την ταχύτητα ανέµου εξόδου V 2 (b=, a=2) παίρνουµε το σύνολο της ισχύος (P tot ) που από τη σχέση (2) είναι: P tot =.5ρΑV 1 3 Ο λόγος C (όριο Bentz) της µέγιστης ισχύος που µπορούµε να εκµεταλλευτούµε (P max ) προς την θεωρητικά µέγιστη (P tot ) είναι: C=P max /P tot =2(2/3) 3 =.593 Pmax/Ptot (%) Σχέση P max /P tot προς V 1 /V 2 Απόδειξη:. Κουτσογιάννης V2/V1 16

17 3 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Καµπύλες ισχύος ανεµογεννήτριας Η σχέση µεταξύ της καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από µία ανεµογεννήτρια και της ταχύτητας του ανέµου στη συγκεκριµένη θέση. 25 Ταχύτητα που η γεννήτρια αρχίζει να παράγει ρεύµα ΙΣΧΥΣ (kw) Ταχύτητα που σταµατάει η πτερωτή να περιστρέφεται για να µην καταστραφεί Αν και υπάρχει η θεωρητικά υπολογιζόµενη απόδοση της ανεµογεννήτριας, οι καµπύλες ισχύος συνήθως εκτιµώνται εµπειρικά, από µετρήσεις πεδίου της ταχύτητας ανέµου µεανεµόµετρο και της παραγόµενης ηλεκτρικής ισχύος. Υπάρχουν αβεβαιότητες στην εκτίµηση των καµπυλών που σχετίζονται µε: (α) τη µέτρηση της ταχύτητας και (β) την ποσότητα του αέρα που εισέρχεται στην πτερωτή Συντελεστής ισχύος (Power coefficient).5 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Ο λόγος της ισχύος που παράγει η ανεµογεννήτρια σε κάθε ταχύτητα ανέµου, προς τη θεωρητική. ιακύµανση συντελεστή ισχύος τυπικής ανεµογεννήτριας σε σχέση µε την ταχύτητα ανέµου m/s Τα χαρακτηριστικά της ανεµογεννήτριας όπως η έναρξη-λήξη λειτουργίας και µέγιστη τιµή (.45) είναι επιλογή των κατασκευαστών της 17

18 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Μοντέλο Zeus 225/4 Skystream 3.7 Μέγιστη ισχύς (kw) ιάµετρος (m) Ύψος (m) Ταχύτητες λειτουργίας (m/s) Ταχύτητα µέγιστης ισχύος (m/s) Συντελεστής µέγιστης ισχύος Τιµή 335. $ $ Ισχύς (kw) 2 1 Ισχύς (kw) Ταχύτητα ανέµου (m/s) Ταχύτητα ανέµου (m/s) ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ Παγκόσµια εγκατεστηµένη αιολική ισχύς MW (24) και MW (25) ΧΩΡΑ ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ (MW) Γερµανία Ισπανία ΗΠΑ ανία Ινδία Ιταλία Ολλανδία Ιαπωνία Βρετανία Κίνα Σύνολο ΠΟΣΟΣΤΟ ΣΥΜΜΕΤΟΧΗΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ανία 19 Αυστραλία 12.5 Γερµανία 5.5 Ιρλανδία 2 ΗΠΑ.4 Ελλάδα.35 18

19 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εγκατεστηµένη ισχύς στην Ελλάδα σε ΜW (Οκτώβριος 211) Συνολική εγκατεστηµένη ισχύς: MW. Στα µη διασυνδεδεµένα νησιά τα MW και στο διασυνδεδεµένο σύστηµα τα MW Πηγή: Ελληνική Επιστηµονική Ένωση Αιολικής Ενέργειας (ΕΛΕΤΑΕΝ) ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εγκατεστηµένη αιολική ισχύς (MW) και ποσοστό της (%) στον κόσµο (29) Χώρα ΜW % Χώρα ΜW % US Greece China Ireland Germany Brazil Spain Poland India Other Asia Pacific Italy Belgium 65.4 France Egypt United Kingdom New Zealand Portugal Mexico Other Europe & Eurasia Other S. & Cent. America Denmark Morocco Canada Other Africa 28.1 Netherlands Costa Rica Japan Finland Australia Iran 91.1 Sweden Argentina

20 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Χρονική εξέλιξη εγκατεστηµένης αιολικής ισχύος (MW) σε διάφορες περιοχές MW 1 Βόρεια Αµερική Κεντρική και Νότια Αµερική Ευρώπη Μέση Ανατολή Αφρική Ασία και Ειρηνικός Κόσµος Ελλάς ΕΤΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΡΓΟΥ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εκτίµηση αιολικού δυναµικού Εκτίµηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων Άδεια κατασκευής Σχεδιασµός έργου Κατασκευή Ανεµογεννήτριας Οδικής πρόσβασης Γραµµής µεταφοράς ηλεκτρικού ρεύµατος Υποσταθµού ηλεκτρικού ρεύµατος 2

21 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΡΓΟΥ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μέτρηση Αιολικού δυναµικού µετρήσεις αιολικού δυναµικού απαραίτητες για σχεδιασµό και καλό προγραµµατισµό λειτουργίας αιολικού σταθµού εκτίµηση του διαθέσιµου αιολικού δυναµικού µιας περιοχής πολύ ευαίσθητη στις διακυµάνσεις ταχύτητας του ανέµου κατάλληλη επιλογή θέσης µέτρησης, εξειδικευµένο προσωπικό και εµπειρία εγκατάσταση µεταλλικού ιστού ύψους τουλάχιστον 1 m στον οποίο τοποθετούνται ένα ή περισσότερα ανεµόµετρα και ανεµοδείκτες για τουλάχιστον 1 έτος Χωροθέτηση εντοπισµός κατάλληλων περιοχών (µε πλούσιο αιολικό δυναµικό) µε σκοπό την µεγαλύτερη δυνατή χωρική συγκέντρωση αιολικών πάρκων καθιέρωση κανόνων χωροθέτησης µε σκοπό την αρµονική ένταξη τους στο φυσικό και ανθρωπογενές περιβάλλον και περιορισµό των συγκρούσεων χρήσεων γης ορισµός περιοχών Αιολικής προτεραιότητας ΑΙΟΛΙΚΟ ΥΝΑΜΙΚΟ Αιολικό δυναµικό 21

22 ΑΙΟΛΙΚΟ ΥΝΑΜΙΚΟ (ΚΑΠΕ 21) ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Επιλογή θέσης ανεµογεννητριας Μελέτη για τον προσδιορισµό της διεύθυνσης και της ταχύτητας των επικρατούντων ανέµων Εντοπισµός των φυσικών και τεχνητών εµποδίων Εκτίµηση της τραχύτητας του εδάφους Καταγραφή του υπάρχοντος στην περιοχή ηλεκτρικού δικτύου Εκτίµηση της ευκολίας υλοποίησης κατασκευών (πρόσβαση στη θέση, µορφολογία εδάφους) Όταν ο αέρας έχει φύγει από ανεµογεννήτρια έχει χάσει την ενέργειά του και έτσι στην περίπτωση των αιολικών πάρκων οι αποστάσεις µεταξύ δύο ανεµογεννητριών πρέπει να είναι 5-9 φορές την διάµετρο της πτερωτής (στη διεύθυνση των επικρατούντων ανέµων) και 3-5 φορές (κάθετα στη επικρατούσα διεύθυνση). Γενικά σε αιολικά πάρκα οι απώλειες κυµαίνονται από 5 έως 15 Όταν ο αέρας βρει άνοιγµα, ηταχύτητατουµπορεί να αυξηθεί έως και 5 (tunnel effect) Ηταχύτηταανέµου αυξάνεται στις κορυφές λόφων (hill effect) 22

23 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Επιλογή θέσης ανεµογεννητριας σε σχέση µε εµπόδιο Επικρατών άνεµος Περιοχή έντονα διαταραγµένης ροής ανέµου Η Η 2Η 2Η 2Η Σηµαντική επίδραση έχει η ανεµοπερατότητα (porosity) του εµποδίου. Η ανεµοπερατότητα ενός συµπαγούς εµποδίου (π.χ. κτιρίου) έχει την τιµή, ενώ στην περίπτωση µη συµπαγούς εµποδίου (π.χ. συγκροτήµατος κτιρίων) υπολογίζεται ως το πηλίκο της ανοικτής επιφάνειας προς τη συνολική επιφάνεια. ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Επίδραση εµποδίου ύψους 2 m και µήκους 6 m σε ανεµογεννήτρια ύψους 5 m και σε απόσταση 3 m Ποσοστό ταχύτητας ανέµου Ποσοστό αιολικής ενέργειας 23

24 ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑΣ (% ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Πεντέλη ΠΟΣΟΣΤΟ ΕΤΟΥΣ (%) ΠΕΝΤΕΛΗ ΨΥΤΑΛΛΕΙΑ >1 4 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL >1 ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑΣ (% Ψυτάλλεια ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL >1 1 1 ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ (% ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ (% ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Υψοµετρική µεταβολή της ταχύτητας ανέµου u 2 = u 1 z ln z z ln z 2 1 όπου u 1, u 2 η ταχύτητα ανέµου σε ύψη z 1 και z 2 αντίστοιχα z η παράµετρος τραχύτητας Τυπικές τιµές της παραµέτρου τραχύτητας z για διάφορες φυσικές επιφάνειες (cm) Πάγος.1 Ασφαλτοστρωµένη επιφάνεια.2 Υδάτινη επιφάνεια.1-.6 Χλόη ύψους µέχρι 1cm.1 Χλόη ύψους µέχρι 1-1 cm.1-.2 Χλόη-σιτηρά κλπ ύψους 1-5 cm 2-5 Φυτοκάλυψη ύψους 1-2 m 2 ένδρα ύψους 1-15 m 4-7 Πηγή: Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος,

25 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΜΠΥΛΗ ΙΣΧΥΟΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ WINCON W25/ ΙΣΧΥΣ (kw) ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΜΦΑΝΙΣΗΣ (% ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΕΜΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/ΕΤΟΣ) ΕΤΗΣΙΑ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Κατανοµή ταχυτήτων ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Καταλληλότητα καµπύλης ισχύος σε σχέση µε τα ανεµολογικά χαρακτηριστικά 25 Ενέργεια (MWh) Σύνολο (MWh) Καµπύλη 1 ΙΣΧΥΣ (kw) Αρχή λειτουργίας Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y) Καµπύλη 2 ΙΣΧΥΣ (kw) Αρχή λειτουργίας Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y) Καµπύλη 3 ΙΣΧΥΣ (kw) Αρχή λειτουργίας Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y)

26 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Συντελεστής δυναµικότητας (Capacity Factor) Η ποσότητα της ενέργειας που παράγει η ανεµογεννήτρια σε ένα έτος ως προς αυτή που θα µπορούσε θεωρητικά να παραχθεί µε πλήρη λειτουργία (8766 ώρες) Παράδειγµα: Μία ανεµογεννήτρια 6 kw παράγει 1.5. kwh σε ένα έτος Ο συντελεστής δυναµικότητας είναι: 15 /(8766*6)=.285 = 28.5% Συνήθως ο συντελεστής δυναµικότητας κυµαίνεται από