Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας 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 Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Βάιας Γκουντρουμάνη του Κωνσταντίνου Αριθμός Μητρώου: 5944 Θέμα «Ανάλυση και Έλεγχος Αιολικού Συστήματος Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας με Σύγχρονη Μηχανή με μόνιμους μαγνήτες» Επιβλέπων Αντώνιος Αλεξανδρίδης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2012

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Ανάλυση και Έλεγχος Αιολικού Συστήματος Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας με Σύγχρονη Μηχανή με μόνιμους μαγνήτες» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Βάιας Γκουντρουμάνη του Κωνσταντίνου Αριθμός Μητρώου: 5944 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 3

4 4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Ανάλυση και Έλεγχος Αιολικού Συστήματος Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας με Σύγχρονη Μηχανή με μόνιμους μαγνήτες» Φοιτητής: Βάια Γκουντρουμάνη Επιβλέπων: Αντώνιος Αλεξανδρίδης Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μιας διάταξης ανεμογεννήτριας με σύγχρονη μηχανή με μόνιμους μαγνήτες η οποία συνδέεται μέσω dc διασύνδεσης με το δίκτυο. Τη dc διασύνδεση τη δημιουργεί ένας dc πυκνωτής και από την πλευρά της μηχανής υπάρχει ένας ac/dc πλήρως ελεγχόμενος ανορθωτής ισχύος ενώ από την πλευρά του δικτύου βρίσκεται ένας dc/ac πλήρως ελεγχόμενος αντιστροφέας ισχύος. Σκοπός της εργασίας είναι αρχικά να μελετήσουμε θεωρητικά το συνολικό σύστημα της ανεμογεννήτριας χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park για τη μοντελοποίηση του στο d-q πλαίσιο αναφοράς. Στη συνέχεια προχωρούμε στον υπολογισμό των εξισώσεων στο χώρο κατάστασης και τελικά προτείνουμε ένα σύστημα ελέγχου το οποίο βασίζεται στους PI ελεγκτές. Τέλος, προσομοιώνουμε το παραπάνω σύστημα με τη βοήθεια της εφαρμογής Simulink του λογισμικού MATLAB και μελετώντας τα αποτελέσματα, εξάγουμε τα ανάλογα συμπεράσματα. 5

6 Ευχαριστίες Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου Αντώνιο Αλεξανδρίδη για την υποστήριξη, την καθοδήγηση και τη βοήθεια του στο σύνολο της προετοιμασίας και διεκπεραίωσης της διπλωματικής μου εργασίας. Επίσης, ευχαριστώ πολύ το διδακτορικό φοιτητή Μπουρδούλη Μιχαήλ για την πολύ σημαντική βοήθειά του και για το χρόνο που διέθεσε καθώς και τη φίλη και συμφοιτήτριά μου Βασιλική Μπουγά για την πολύτιμη συνεργασία που είχαμε. Τέλος, οφείλω ένα μεγάλο ευχαριστώ στην οικογένειά μου για την αγάπη και την εμπιστοσύνη που μου δείχνει όλα αυτά τα χρόνια. 6

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διπλωματική αυτή εργασία έχει ως αντικείμενο τη μελέτη, την ανάλυση και τον έλεγχο αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με σύγχρονη μηχανή με μόνιμους μαγνήτες. Συγκεκριμένα υπολογίστηκαν οι εξισώσεις που χαρακτηρίζουν το συνολικό σύστημα συμπεριλαμβανομένων των μετατροπέων ac/dc, dc/ac και της dc διασύνδεσης και στη συνέχεια προτείναμε ένα σύστημα ελέγχου με PI ελεγκτές το οποίο και προσομοιώσαμε με το Simulink του MATLAB. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 κάνουμε λόγο για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δίνοντας κάποιες επιπλέον πληροφορίες για τις πιο διαδεδομένες μη συμβατικές πηγές ενέργειας όπως είναι η ηλιακή, η αιολική, η γεωθερμική, η ενέργεια από τους ωκεανούς, η υδροηλεκτρική και η ενέργεια από βιομάζα. Επιπλέον, καταγράφονται τα κυριότερα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τέλος δίνονται στατιστικά στοιχεία για την εγκατεστημένη ισχύ στην Ελλάδα σήμερα. Στο κεφάλαιο 2 αναφερόμαστε πιο διεξοδικά στην αιολική ενέργεια επισημαίνοντας τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση της. Επίσης κάνουμε μια θεωρητική προσέγγιση των στοιχείων του ανέμου προκειμένου να δείξουμε πώς αυτά εμπλέκονται στην παραγωγή τελικά ηλεκτρικής ενέργειας μέσω της ανεμογεννήτριας. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζουμε τη δομή μιας ανεμογεννήτριας όπως επίσης τις κατηγορίες και τους τύπους των ανεμογεννητριών. Επιπρόσθετα, αναφερόμαστε στα ήδη των ελέγχων που εφαρμόζονται στις ανεμογεννήτριες καθώς και τις ηλεκτρονικές συσκευές που χρησιμοποιούνται. Τέλος, παραθέτουμε τους τύπους των ηλεκτρικών μηχανών που χρησιμοποιούνται και δίνουμε πληροφορίες για τα αιολικά πάρκα. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται η ανάλυση του συστήματος μεταβλητών στροφών με σύγχρονη μηχανή με μόνιμους μαγνήτες χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park. Επίσης, υπολογίζουμε τις διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν το σύστημα και τέλος προτείνουμε ένα σύστημα ελέγχου της σύγχρονης γεννήτριας κάνοντας χρήση PI ελεγκτών. Στο κεφάλαιο 5 παραθέτουμε όλες τις παραμέτρους του συστήματος καθώς επίσης και τα κέρδη των ελεγκτών τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο του συστήματος. Έχοντας κάνει την προσομοίωση του συστήματος με τη βοήθεια της εφαρμογής Simulink του MATLAB παραθέτουμε και αναλύουμε τα αποτελέσματα. 7

8 Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και επισυνάπτεται ο κώδικας του MATLAB σε CD. 8

9 Περιεχόμενα Πρόλογος...7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ενεργειακό πρόβλημα - Κλιματική αλλαγή - Πρωτόκολλο του Κιότο Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Αιολική ενέργεια Ηλιακή ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια Υδροηλεκτρική ενέργεια Ενέργεια από ωκεανούς Ενέργεια από Παλίρροιες Ενέργεια από Κύματα Ενέργεια από βιομάζα Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Οι ΑΠΕ σήμερα...28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Αιολική ενέργεια Θεωρητική προσέγγιση του ανέμου Ιστορικά στοιχεία Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Θεωρητική προσέγγιση του ανέμου Μέση ταχύτητα και σχετική κατανομή του ανέμου Αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος και ισχύς ανέμου Αιολική ενέργεια Στατιστικά...41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Ανεμογεννήτριες Αιολικά πάρκα Δομή ανεμογεννήτριας Κατηγορίες ανεμογεννητριών Οριζόντιου άξονα Κάθετου άξονα Σύγκριση ανεμογεννητριών οριζόντιου και κάθετου άξονα Τύποι ανεμογεννητριών

10 3.3.1 Ανεμογεννήτριες Σταθερών Στροφών Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών Σύγκριση ανεμογεννητριών σταθερών και μεταβλητών στροφών Έλεγχος ισχύος σε ανεμογεννήτριες Μηχανικός έλεγχος ισχύος Έλεγχος μέσω ηλεκτρονικών ισχύος Χρησιμοποιούμενοι τύποι γεννητριών Αιολικά πάρκα Γενικά Λειτουργία και Συντήρηση του αιολικού πάρκου...59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Ανάλυση αιολικού συστήματος μεταβλητών στροφών με σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη Σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Κατηγορίες σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη Το υπό ανάλυση σύστημα Χρησιμοποιούμενο μοντέλο συστήματος-μετασχηματισμός Park Μεταφέροντας το συνολικό μοντέλο στο d-q πλαίσιο αναφοράς Σύγχρονη μηχανή με μόνιμο μαγνήτη Ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου DC διασύνδεση Έλεγχος σύγχρονης γεννήτριας με μόνιμο μαγνήτη Γενικά Το συνολικό μοντέλο στο χώρο κατάστασης Ο έλεγχος από την πλευρά της μηχανής Ο έλεγχος του ρεύματος του άξονα d Ο έλεγχος του ρεύματος του άξονα q Ο έλεγχος από την πλευρά του δικτύου Ο έλεγχος του ρεύματος του άξονα d Ο έλεγχος του ρεύματος του άξονα q Επιλογή κερδών των PI ελεγκτών στην πλευρά της γεννήτριας και του δικτύου

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Αποτελέσματα και συμπεράσματα από την προσομοίωση του συστήματος Γενικά Προσομοίωση του συστήματος - Αποτελέσματα Συμπεράσματα...95 Βιβλιογραφία

12 12

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 13

14 1.1 Ενεργειακό πρόβλημα - Κλιματική αλλαγή - Πρωτόκολλο του Κιότο Το ενεργειακό πρόβλημα συσχετίζει τα ενεργειακά αποθέματα που διαρκώς μειώνονται με τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας που διαρκώς αυξάνονται. Κύριο χαρακτηριστικό του είναι η συνεχής αύξηση στις τιμές ενέργειας αλλά και η εξάντληση των ενεργειακών πόρων, καθώς από τα ορυκτά καύσιμα προέρχεται το 78% της ενέργειας που παράγεται παγκοσμίως. Επιβάλλεται λοιπόν η μείωση της χρήσης των ορυκτών καυσίμων, τα οποία αποτελούν και το σημαντικότερο παράγοντα ρύπανσης της ατμόσφαιρας στις μέρες μας, και ως εκ τούτου η αύξηση του ποσοστού παραγωγής ενέργειας από τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας το οποίο περιορίζεται μόλις στο 16% της παγκόσμιας παραγωγής. Η καύση λοιπόν των ορυκτών καυσίμων απελευθερώνει στην ατμόσφαιρα δισεκατομμύρια τόνους διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) το οποίο θεωρείται υπεύθυνο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου και τη δραματική αλλαγή του κλίματος στις επόμενες δεκαετίες. Οι συνέπειες του φαινομένου του θερμοκηπίου, όπως η μείωση των αποθεμάτων του νερού, οι υψηλές θερμοκρασίες κατά τη θερινή περίοδο ή οι απότομες μεταβολές στη θερμοκρασία του πλανήτη, είναι ήδη φανερές τις τελευταίες δεκαετίες. Αξίζει να σημειώσουμε ότι οι πιο ρυπογόνοι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρώπη λειτουργούν στην Ελλάδα, τη Γερμανία, την Πολωνία και την Ισπανία. Η ανάγκη για την αντιμετώπιση όλων των παραπάνω παραγόντων που οδηγούν στις σφοδρές αυτές κλιματικές αλλαγές οδήγησε στην υπογραφή της σύμβασης πλαισίου για την κλιματική αλλαγή, γνωστή ως το πρωτόκολλο του Κιότο. Σύμφωνα με τη σύμβαση αυτή η διεθνής κοινότητα συμφώνησε στη μείωση των εκπομπών αερίων θέτοντας συγκεκριμένο στόχο. Ωστόσο το πιο αποτελεσματικό ρυθμιστικό πλαίσιο που έχει ως στόχο τον περιορισμό των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και την ταυτόχρονη ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει πραγματοποιηθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Σε ό,τι αφορά τη χώρα μας, η Ελλάδα καλείται να αυξήσει τη συμβολή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην ακαθάριστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στο επίπεδο του 20% το 2012 (συμπεριλαμβανομένης της συμβολής των μεγάλων υδροηλεκτρικών σταθμών). 14

15 1.2 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Με τον όρο ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εννοούμε τους φυσικούς διαθέσιμους πόρους - πηγές ενέργειας, που υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον, που δεν εξαντλούνται αλλά διαρκώς ανανεώνονται και που δύνανται να μετατρέπονται σε ηλεκτρική ή θερμική ενέργεια. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ελάχιστα ή καθόλου ρυπογόνες και ως εκ τούτου ο ήλιος, ο άνεμος, το νερό, η γεωθερμία και η βιομάζα, που αποτελούν πηγές ενέργειας φιλικές προς το περιβάλλον, μπορούν και πρέπει να τις εκμεταλλευτούμε ώστε να συμβάλλουν στην αειφόρο ανάπτυξη. Αναγκαίες προϋποθέσεις για να είναι χρήσιμη μια πηγή ενέργειας είναι: Η ενέργεια αυτή να είναι άφθονη και η πρόσβαση στην ενεργειακή πηγή εύκολη. Να μετατρέπεται χωρίς δυσκολία σε μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τα σύγχρονα μηχανήματα. Να μεταφέρεται εύκολα. Να αποθηκεύεται εύκολα. Προκειμένου να εγκατασταθεί σύστημα παραγωγής ενέργειας που βασίζεται στις ανανεώσιμες πηγές και το σύστημα αυτό να παρέχει αυτονομία από το δίκτυο θα πρέπει να ισχύουν τα ακόλουθα: η τοποθεσία που βρίσκεται η εγκατάσταση να έχει επαρκές δυναμικό Α.Π.Ε. να μην υπάρχει υφιστάμενη σύνδεση με το δίκτυο ή να μην απαιτείται για να υλοποιηθεί επέκταση γραμμών που επιφέρει μεγάλο κόστος. να υπάρχει επιθυμία για ενεργειακή ανεξαρτησία από τον πάροχο ηλεκτρικής ενέργειας. να υπάρχει επιθυμία και οικονομική δυνατότητα να επενδυθούν σε ΑΠΕ για περιβαλλοντικούς λόγους. να υπάρχει μελλοντικός σχεδιασμός για επέκταση του δικτύου και αγορά από το δίκτυο της πλεονάζουσας ενέργειας. 15

16 1.2.1 Αιολική ενέργεια Η χρήση της αιολικής ενέργειας αποτελεί μία από τις καθαρότερες ενεργειακές επιλογές. Η πηγή αυτή της ενέργειας είναι πρακτικά ανεξάντλητη, ανανεούμενη συνεχώς, γι αυτό ονομάζεται ανανεώσιμη. Εάν υπήρχε η δυνατότητα 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 για ηλεκτρική ενέργεια της ανθρωπότητας στο ίδιο διάστημα. Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας καθιστά απαραίτητη την χρήση ειδικών διατάξεων που εκθέτουν έναν δρομέα (πτερωτή τύπου έλικας, με ένα η περισσότερα πτερύγια) στο ρεύμα του ανέμου, λαμβάνοντας έτσι μέρος της κινητικής ενέργειάς του, με αποτέλεσμα την περιστροφική κίνηση του δρομέα. Οι διατάξεις αυτές λέγονται ανεμογεννήτριες όταν ο άξονας τους κινεί ηλεκτρογεννήτρια παράγωγης ρεύματος. Στις ανεμογεννήτριες η αιολική ενέργεια μετατρέπεται σε περιστροφική κίνηση του δρομέα του αεροκινητήρα και του άξονά του. Η σύνδεση ανεμογεννητριών στο ηλεκτρικό δίκτυο μιας χώρας αποτελεί, από οικονομικής απόψεως, μια πολύ σημαντική εφαρμογή τους. Σ αυτή την περίπτωση κατασκευάζεται μια συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, γνωστή ως αιολικό πάρκο, που εγκαθίσταται και λειτουργεί σε μία περιοχή με υψηλό αιολικό δυναμικό. Η συνολική ενέργεια που παράγεται στο αιολικό αυτό πάρκο διοχετεύεται στο ηλεκτρικό σύστημα. 16

17 Συνήθως, η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται: Α. Για παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές συνδεδεμένες στο δίκτυο είτε για την κάλυψη ίδιων αναγκών, είτε για την πώληση του ρεύματος στην εταιρεία εκμετάλλευσης του δικτύου. Β. Για παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές που δεν είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο, για λειτουργία είτε μόνες τους με συσσωρευτές, είτε σε συνδυασμό με σταθμό ηλεκτροπαραγωγής με ντίζελ. Γ. Για θέρμανση (π.χ. σε θερμοκήπια) με διαδοχική μετατροπή της σε ηλεκτρισμό και ακολούθως σε θερμότητα με τη χρήση ηλεκτρικής αντίστασης ή με την κίνηση αντλιών θερμότητας Ηλιακή ενέργεια Ο ήλιος είναι ένα τυπικό αστέρι με επιφανειακή θερμοκρασία ~5800Κ και εσωτερική περίπου Κ. Η υψηλή θερμοκρασία οφείλεται στις αυτοσυντηρούμενες πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στο εσωτερικό του κατά τις οποίες το υδρογόνο μετατρέπεται σε ήλιο. Η ηλιακή ενέργεια που εκλύεται κατά τη διάρκεια της παραπάνω μετατροπής διαδίδεται στο σύμπαν κυρίως με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αλλά και με σωματιδιακή μορφή. Ωστόσο, το μεγαλύτερο ποσό της 17

18 ενέργειας αυτής δεν μπορεί να συλλεχθεί. Καθώς διαχέεται μέσα στην ατμόσφαιρα, ανακλάται πίσω στο διάστημα ή απορροφάται από τα φυτά και τις υδάτινες μάζες. Παρά το γεγονός ότι οι απώλειες αυτές είναι σημαντικές, ο ήλιος αποτελεί μια πραγματικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας και παρέχει τεράστια αποθέματα ενέργειας. Για παράδειγμα, περίπου το 13% της ηλιακής ενέργειας στα εξωτερικά όρια της ατμόσφαιρας, φθάνει στο έδαφος. Αν η ενέργεια αυτή μετατρεπόταν σε ηλεκτρισμό, με βαθμό απόδοσης 20%, τότε θα ήταν δυνατό να τροφοδοτηθούν όλες οι ηλεκτρικές ανάγκες μίας χώρας. Πρακτικά, αν ένα σπίτι μπορούσε να χρησιμοποιήσει ολόκληρη την ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην οροφή του, θα κάλυπτε όλες τις ηλεκτρικές του ανάγκες. Από τα αρχαία χρόνια, η ηλιακή ενέργεια αξιοποιήθηκε από τον άνθρωπο στη γεωργία, την κατοικία και τη βιομηχανία. Στη νεότερη εποχή, όμως, χρειάστηκε να ξεσπάσει η ενεργειακή κρίση του 1973, ώστε να στραφεί ξανά το ενδιαφέρον του κόσμου σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας όπως η ηλιακή. Από τις αρχές, κιόλας, της δεκαετίας του 1970 είχε επιδειχθεί ενδιαφέρον για έρευνα και εφαρμογή στην ηλιακή ενέργεια. Σήμερα, τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύτατο φάσμα εφαρμογών, όπως είναι η παραγωγή ηλεκτρισμού από μεγάλες μονάδες και απευθείας σύνδεση με το δίκτυο ηλεκτροπαραγωγής, ή ακόμη σε οικιακό και εμπορικό επίπεδο για κάλυψη βασικών αναγκών (π.χ. φωτισμός, ψυγείο, τηλεόραση κ.λπ.), τηλεπικοινωνίες, άντληση νερού, σηματοδότηση κ.λπ. Στην Ελλάδα υπάρχουν πολλές εφαρμογές που αφορούν κυρίως την ηλεκτροδότηση απομακρυσμένων περιοχών, στις οποίες υπάρχει πρόβλημα ηλεκτροδότησης από το δίκτυο της ΔΕΗ, καθώς επίσης και επενδύσεις για πώληση του παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος στη ΔΕΗ. Επιπλέον, αξιόλογες είναι οι εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας στη θέρμανση και το δροσισμό (ψύξη) κτιρίων, με τη χρήση ενεργητικών και παθητικών (βιοκλιματικών) συστημάτων. Σε παγκόσμια κλίμακα, η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που καταφθάνει στη γη μέσα σε μία περίοδο δύο εβδομάδων, σύμφωνα με έρευνα του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, είναι ισοδύναμη με την ενέργεια όλων των αποθεμάτων φυσικών καυσίμων υδρογονανθράκων (γαιάνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου). Είναι γεγονός ότι η συνολική ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στη γήινη ατμόσφαιρα μέσα σε ένα χρόνο, ισούται περίπου με φορές την ενέργεια που χρησιμοποιεί η ανθρωπότητα ετησίως. Η μέση ένταση της ηλιακής ενέργειας στα εξωτερικά όρια της ατμόσφαιρας είναι 1.36 kw ανά τετραγωνικό μέτρο (μετρούμενη στο κάθετο προς αυτήν επίπεδο) αριθμός που αποτελεί ηλιακή σταθερά και λαμβάνει τη μέγιστη αυτή τιμή όταν ο ήλιος είναι κατακόρυφος στον ουρανό. Κατά τη διάρκεια της υπόλοιπης ημέρας, η λαμβανόμενη ενέργεια εξαρτάται από τη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτινών πάνω 18

19 στην επιφάνεια της ατμόσφαιρας. Υπάρχουν, βέβαια, και άλλες παράμετροι που επηρεάζουν τη λαμβανόμενη ηλιακή ενέργεια, όπως το γεωγραφικό πλάτος, η χρονική στιγμή της ημέρας και η εποχή του χρόνου. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι για το μισό περίπου χρονικό διάστημα η γη δεν λαμβάνει απευθείας ηλιακή ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια Με τον όρο γεωθερμική ενέργεια εννοούμε την ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης και η οποία έχει σχέση με την ηφαιστειότητα και τις ειδικότερες γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες κάθε περιοχής. Είναι γεγονός ότι η γεωθερμία είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας καθώς όσο εμείς την αξιοποιούμε τόσο αυτή ανανεώνεται λόγω της ροής θερμότητας από το εσωτερικό της γης. Η εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας ποικίλει ανάλογα με τη θερμοκρασία με την οποία αυτή εξάγεται από το εσωτερικό της γης. Έτσι, ο άνθρωπος τη χρησιμοποιεί για να παράγει ηλεκτρισμό (όταν η γεωθερμία εξάγεται με τη μορφή βραστού νερού ή ατμού), για θέρμανση κτιρίων, για θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών (επειδή τα φυτά αναπτύσσονται περισσότερο με τη ζέστη), για ιχθυοκαλλιέργειες και φυσικά για θερμά λουτρά. Επίσης, με χρήση γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, οι οποίες μπορούν και ανεβάζουν τη διαθέσιμη θερμοκρασία, καταφέραμε να αξιοποιήσουμε τη θερμότητα που βρίσκεται στο έδαφος σε βάθος μερικών μέτρων για θέρμανση χώρων. Τα ίδια 19

20 μηχανήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για κλιματισμό. Βασικό πλεονέκτημα των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας είναι ότι το έδαφος έχει παντού σταθερή θερμοκρασία, περίπου 15 ο C, ανεξάρτητα από τη ζέστη ή το κρύο που έχει στην ατμόσφαιρα. Κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ο ευκολότερος τύπος γεωθερμικής πηγής είναι η πηγή ξηρού ατμού από γεώτρηση. Στις πηγές αυτού του είδους οι ενεργειακοί σταθμοί είναι απλοί τόσο ως προς την αρχή λειτουργίας όσο και πρακτικά. Οι γεωτρήσεις παρέχουν τον ατμό είτε με τη μορφή κορεσμένου ατμού είτε σαν ελάχιστα υπέρθερμο. Συνήθως, ο ατμός φιλτράρεται για απομάκρυνση στερεών και ξηραίνεται για απομάκρυνση συμπυκνωμάτων που πιθανόν να σχηματιστούν στου αγωγούς μεταφοράς. Στη συνέχεια οδηγείται σε ένα κλασικό στρόβιλο χαμηλής πίεσης, ο οποίος κινεί μία ηλεκτρογεννήτρια. Ο εν μέρει συμπυκνωμένος ατμός ή στέλνεται σε ένα συμπυκνωτή ή εκκενώνεται απευθείας στην ατμόσφαιρα. Η τελευταία λύση είναι και η πιο απλή και συχνά χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με μικρά αντλητικά συγκροτήματα στα πρώτα στάδια ανάπτυξης αγρών ακόμα και αν σπαταλιέται κάποια ενέργεια ατμού. Ένας στρόβιλος συμπύκνωσης παράγει τη διπλάσια ηλεκτρική ενέργεια από ένα μη συμπύκνωσης για τις ίδιες συνθήκες εισόδου. Στην Ελλάδα, γεωθερμία κατάλληλη για παραγωγή ηλεκτρισμού βρίσκεται σε μικρά βάθη στα νησιά του ηφαιστειακού τόξου του Αιγαίου, όπως είναι η Μήλος, η Σαντορίνη και η Νίσυρος, αλλά και στη Λέσβο, τη Σαμοθράκη και αλλού. Γεωθερμία κατάλληλη για θέρμανση και αγροτικές εφαρμογές απαντάται σε μικρά βάθη σε πολλές περιοχές στις πεδιάδες της Μακεδονίας και της Θράκης. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι οι ιαματικές εφαρμογές της γεωθερμίας κυριαρχούν με ποσοστό 39%, η αξιοποίηση της γεωθερμίας στην θέρμανση των χώρων φαίνεται να χρησιμοποιείται στην Ελλάδα σε ποσοστό μόνο 1%. 20

21 1.2.4 Υδροηλεκτρική ενέργεια Τα νερά, τα οποία προέρχονται από το λιώσιμο των πάγων και του χιονιού ή τη βροχή που πέφτει σε μεγάλο υψόμετρο, και είναι συγκεντρωμένα σε οποιοδήποτε ύψος πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας έχουν ενέργεια καθώς κατεβαίνουν προς χαμηλότερες περιοχές. Όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του αποθηκευμένου νερού και όσο υψηλότερα βρίσκεται, τόση περισσότερη είναι η ενέργεια που περιέχει. Υπάρχει η δυνατότητα να «αποθηκεύσουμε» την ενέργεια του νερού συγκεντρώνοντας το σε τεχνητές λίμνες (ταμιευτήρες) σε μεγάλο υψόμετρο. Στη συνέχεια, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε αυτή την αποθηκευμένη ενέργεια, μετατρέποντάς τη σε άλλη μορφή ενέργειας, αν αφήσουμε το νερό να ρέει μέσα σε αγωγούς με ταχύτητα (λόγω της διαφοράς υψομέτρου) προς χαμηλότερες περιοχές. Έτσι, το νερό, καθώς θα πέφτει με ταχύτητα, μπορεί να περιστρέψει μεγάλους τροχούς που έχουν πτερύγια στην περιφέρειά τους (υδροστροβίλους). Αυτή την περιστροφή είχε εκμεταλλευτεί από παλιά ο άνθρωπος για τη λειτουργία των νερόμυλων, κυρίως, που άλεθαν τα σιτηρά. Ακόμα και σήμερα υπάρχουν παραδοσιακές εγκαταστάσεις που λειτουργούν με το νερό μικρών ταμιευτήρων ή και το νερό υδατορευμάτων, που βρίσκονται σε κάποιο υψόμετρο. Στη σύγχρονη εποχή το νερό των ταμιευτήρων, που συνήθως δημιουργούνται με τεχνητά φράγματα, χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε υδροηλεκτρικούς σταθμούς. 21

22 Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η μεγαλύτερη και πιο ώριμη εφαρμογή ανανεώσιμης ενέργειας με περίπου 1000GW εγκατεστημένης ισχύος. Στη Δυτική Ευρώπη, τα υδροηλεκτρικά συνεισέφεραν το 20% περίπου της ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Παρόλα αυτά, υπάρχουν ακόμη περιθώρια για περαιτέρω ανάπτυξη καθώς το υφιστάμενο υδροηλεκτρικό δυναμικό αποτελεί μόνο το 10% του συνολικού παγκόσμιου βιώσιμου υδροδυναμικού. Στην Ελλάδα, όπου δεν υπάρχει αφθονία σε νερά, οι υδατοταμιευτήρες δεν είναι δυνατό να τροφοδοτούν συνεχώς με νερό τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Συνεπώς, οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί λειτουργούν μόνο τις ώρες αιχμής κατά τη διάρκεια των οποίων χρειαζόμαστε πρόσθετη ηλεκτρική ενέργεια. Βέβαια, αξίζει να αναφερθεί ότι σε πολλές υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις, αφού το νερό των ταμιευτήρων χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον υδροηλεκτρικό σταθμό, αξιοποιείται για την ύδρευση κοντινών πόλεων ή για την άρδευση γεωργικών εκτάσεων. Στη χώρα μας λειτουργούν μερικοί μεγάλοι υδροηλεκτρικοί σταθμοί και πολλοί μικρότεροι, ενώ υπάρχει η δυνατότητα εγκατάστασης και άλλων σε πολλές περιοχές, όπου υπάρχουν μεγάλα ή μικρά υδατορεύματα. Συμπεραίνουμε, λοιπόν, ότι το νερό των ταμιευτήρων είναι μια ανεκτίμητη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, που δεν ρυπαίνει το περιβάλλον, είναι δηλαδή μια καθαρή πηγή ενέργειας. 22

23 1.2.5 Ενέργεια από ωκεανούς Ενέργεια από Παλίρροιες Το θαλασσινό νερό καθώς και το νερό των μεγάλων λιμνών βρίσκεται σε χαμηλό υψόμετρο και δεν είναι δυνατό να κινηθεί με ταχύτητα προς χαμηλότερες περιοχές και συνεπώς να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας, όπως περιγράψαμε στην υδροηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, και η θάλασσα κινείται, αφού ανεβαίνει (πλημμυρίς) και κατεβαίνει (άμπωτις) λόγω της παλίρροιας, κυκλοφορεί ως ρεύματα (λόγω της διαφοράς της θερμοκρασίας σε διάφορα σημεία του νερού), ή κινείται παλινδρομικά (κύματα). Τέτοιες κινήσεις της θάλασσας μπορούμε να τις εκμεταλλευτούμε για να περιστρέψουμε τροχούς με πτερύγια προκειμένου να παράγουμε ηλεκτρική ενέργεια. Παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής είναι λοιπόν ένας ηλεκτρικός σταθμός που μετατρέπει την ενέργεια των παλιρροιών της θάλασσας σε ηλεκτρική ενέργεια. Επιπλέον, μπορούμε να επιτύχουμε παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας εκμεταλλευόμενοι τη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ της επιφάνειας και των βαθύτερων στρωμάτων της θάλασσας. 23

24 Ενέργεια από Κύματα Τα θαλάσσια κύματα αποτελούν μια ανανεώσιμη και ισχυρή πηγή ενέργειας που ωστόσο δεν είναι εύκολο να χρησιμοποιηθεί για να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια σε μεγάλα ποσά. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας να είναι σπάνιοι. Αντί όμως της χρήσης των θαλάσσιων κυμάτων, υπάρχει μέθοδος παραγωγής ενέργειας από τα κύματα που δημιουργούνται τεχνητά σε πισίνα. Το σύστημα εκμεταλλεύεται την ταχύτητα του κύματος, το ύψος, το βάθος και τη ροή κάτω από το πλησιάζον κύμα, παράγοντας κατά συνέπεια την ενέργεια αποτελεσματικότερα και φθηνότερα από άλλα θαλάσσια κύματα και τις υπόλοιπες συμβατικές τεχνολογίες. 24

25 1.2.6 Ενέργεια από βιομάζα Βιομάζα ορίζουμε την ύλη που έχει οργανική προέλευση δηλαδή, είναι οποιοδήποτε υλικό παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για παραγωγή ενέργειας. Τέτοια υλικά μπορεί να είναι: Οι φυτικές ύλες που προέρχονται είτε από φυσικά οικοσυστήματα είτε από τις ενεργειακές καλλιέργειες. Τα υποπροϊόντα και τα κατάλοιπα της φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής. Τα υποπροϊόντα που προέρχονται από τη μεταποίηση ή επεξεργασία των υλικών αυτών, π.χ. τα ελαιοπυρηνόξυλα. Το βιολογικής προέλευσης μέρος των αστικών λυμάτων και σκουπιδιών. Οι φυτικές ουσίες έχουν αποθηκευμένη ενέργεια την οποία δεσμεύουν από τον ήλιο. Κατά τη φωτοσύνθεση τα φυτά μετασχηματίζουν την ηλιακή ενέργεια σε βιομάζα. Την ενέργεια αυτή την προσλαμβάνουν οι ζωικοί οργανισμοί, μέσω της τροφής, και αποθηκεύουν ένα μέρος της. Αυτή την ενέργεια αποδίδει τελικά η βιομάζα, μετά την επεξεργασία και τη χρήση της. Αποτελεί μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας αφού στην ουσία είναι η ηλιακή ενέργεια που δεσμεύτηκε από τα φυτά κατά τη φωτοσύνθεση. 25

26 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. Στη σύγχρονη εποχή είναι πολύ σημαντικό το γεγονός ότι υλικά, τα οποία προέρχονται άμεσα ή έμμεσα από τον φυτικό κόσμο, υγρά απόβλητα καθώς και το μεγαλύτερο μέρος των αστικών απορριμμάτων των πόλεων και των βιομηχανιών μπορούμε να τα μετατρέψουμε σε ενέργεια. 1.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Είναι γεγονός ότι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας είναι οι μόνες πηγές ενέργειας που επιβαρύνουν ελάχιστα ή καθόλου το περιβάλλον και ως εκ τούτου η συμβολή τους είναι πολύ σημαντική στην προσπάθεια μείωσης των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου. Θα πρέπει να σημειώσουμε επιπρόσθετα ότι τα χαρακτηριστικά των Α.Π.Ε. τις καθιστούν συστατικό στοιχείο μιας νέας αναπτυξιακής πολιτικής και μοναδική μακροπρόθεσμη απάντηση στην πορεία προς την βιώσιμη ανάπτυξη. Τα βασικότερα πλεονεκτήματα των Α.Π.Ε. είναι: Αποτελούν ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους εξαντλήσιμους πόρους, όπως τα ορυκτά καύσιμα. Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινό. Ο σχεδιασμός των εγκαταστάσεων εκμετάλλευσης των Α.Π.Ε. γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να καλύπτουν τις ανάγκες των χρηστών και, σε μικρή κλίμακα εφαρμογών ή σε μεγάλη κλίμακα αντίστοιχα, οι εγκαταστάσεις αυτές έχουν μικρή διάρκεια κατασκευής. Έτσι, επιτυγχάνεται γρήγορη ανταπόκριση στη ζήτηση ενέργειας. Το λειτουργικό τους κόστος είναι συνήθως χαμηλό και δεν επηρεάζεται από την κατάσταση που επικρατεί στην παγκόσμια οικονομία ούτε από τις τιμές των συμβατικών καυσίμων. 26

27 Συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής αυτάρκειας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε τοπικό, περιφερειακό και εθνικό επίπεδο καθώς είναι εγχώριες πηγές ενέργειας. Βοηθούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος αφού είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και προσφέρουν κάλυψη των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο. Έτσι, ανακουφίζουν τα συστήματα υποδομής και παράλληλα μειώνουν τις απώλειες λόγω μεταφοράς της ενέργειας. Προσφέρουν τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα των ενεργειακών αναγκών των χρηστών (π.χ. ηλιακή ενέργεια για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών, αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή). Βοηθούν στην οικονομική και κοινωνική αναζωογόνηση υποβαθμισμένων περιοχών με την προώθηση επενδύσεων, όπως είναι η κατασκευή αιολικών πάρκων και εργοστασίων ενεργειακής αξιοποίησης γεωργικής βιομάζας και η δημιουργία καλλιεργειών σε θερμοκήπια με χρήση της γεωθερμίας. Οι επενδύσεις των Α.Π.Ε. δημιουργούν πολλές θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο. Μολονότι, τα πλεονεκτήματα από τη χρήση των Ανανεώσιμών Πηγών Ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι πολύ σημαντικά τόσο σε επίπεδο περιβαλλοντικό όσο και σε οικονομικό και κοινωνικοπολιτικό, εντούτοις μπορούμε να παραθέσουμε και κάποια μειονεκτήματα: Ο συντελεστής απόδοσης των Α.Π.Ε. είναι αρκετά μικρός (της τάξης του 30%) με αποτέλεσμα να απαιτείται μεγάλο αρχικό κεφάλαιο και μεγάλη επιφάνεια γης. Αυτός είναι και ο λόγος που οι Α.Π.Ε., προς το παρόν, χρησιμοποιούνται σαν συμπληρωματικές πηγές ενέργειας και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων. Η παροχή και απόδοση της αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους καθώς επίσης και από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. Η συμπεριφορά τους μπορεί 27

28 λοιπόν να χαρακτηριστεί ως στοχαστική, καθώς εμπεριέχει το στοιχείο της πιθανότητας. Σχετικά με τα υδροηλεκτρικά έργα υπάρχει η άποψη ότι προκαλούν έκλυση μεθανίου, από την αποσύνθεση των φυτών που βρίσκονται κάτω από το νερό, με αποτέλεσμα να συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Γενικά, οι αιολικές μηχανές προσβάλλουν την αισθητική ορισμένων και υπάρχει η άποψη ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πουλιών. Με την εξέλιξη, όμως, της τεχνολογίας τους και την προσεκτικότερη επιλογή χώρων εγκατάστασης αυτά τα προβλήματα έχουν σχεδόν λυθεί. 1.4 Οι ΑΠΕ σήμερα Στην χώρα μας η συνολική εγκατεστημένη ισχύς των ΑΠΕ έφτασε τα 2179 MW τον Μάρτιο του 2012, εκ των οποίων τα 1388 MW είναι από αιολική ενέργεια, τα 535 MW από φωτοβολταϊκά, τα 212 MW από υδροηλεκτρικά και τα 44,53 MW από βιομάζα. Σύμφωνα με το μηνιαίο δελτίο του ΛΑΓΗΕ (Λειτουργός Αγοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας), κατά το μήνα Μάρτιο προστέθηκαν 24 MW αιολικών, 30,58 MW φωτοβολταϊκών και 5,6 MW υδροηλεκτρικών στις ήδη υπάρχουσες ΑΠΕ. Συνεπώς, κατά τη διάρκεια του Μαρτίου η συνολική εγκατεστημένη ισχύς από σταθμούς ΑΠΕ στην Ελλάδα ενισχύθηκε κατά 60 MW περίπου, με τα πρωτεία να έχουν τα φωτοβολταϊκά, τη στιγμή που τα αιολικά δεν σημειώνουν μεγάλες προσθήκες κατά τους πρώτους μήνες του Παρακάτω παραθέτουμε στατιστικά στοιχεία που ανακοίνωσε ο ΛΑΓΗΕ για τη γεωγραφική κατανομή εγκατεστημένης ισχύος μονάδων ΑΠΕ και ΣΗΘΥΑ (Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης) στο διασυνδεδεμένο σύστημα όπως διαμορφώθηκε μέχρι και το πρώτο τρίμηνο του

29 Σχήμα 1.1: Γεωγραφική κατανομή εγκατεστημένης ισχύος μονάδων ΑΠΕ και ΣΗΘΥΑ στο διασυνδεδεμένο σύστημα.(μάρτιος 2012) Πηγή: ΛΑΓΗΕ Ωστόσο, η ισχύς ΑΠΕ που προστέθηκε στο ηλεκτρικό μας σύστημα κατά το πρώτο τρίμηνο του 2012 δεν παρέμεινε στα ίδια επίπεδα και τους επόμενους μήνες. Τον Ιούνιο η συνολική εγκατεστημένη ισχύς των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας που λειτούργησε στο διασυνδεδεμένο σύστημα της χώρας προσέγγισε τα MW. Τα 29

30 φωτοβολταϊκά συνέχισαν να παρουσιάζουν τη μεγαλύτερη αύξηση, της τάξης του 15,5% ή κατά 96,97 MW μέσα σε ένα μήνα. Έτσι, η συνολική ισχύς από φωτοβολταϊκά, που είναι και η ακριβότερη τεχνολογία όσον αφορά τις τιμές αγοράς από το σύστημα, έφτασε πλέον τα 724,18 MW. Κατά το πρώτο εξάμηνο του 2012, σύμφωνα με τα στοιχεία του ΛΑΓΗΕ, η εγκατεστημένη ισχύς αυξήθηκε κατά 60,70%. Η ισχύς όλων των εν λειτουργία ΑΠΕ από 2.095,44 MW τον Ιανουάριο παρουσίασε μια αύξηση της τάξης του 14,9% και έφτασε στα 2.409,10 MW ως το τέλος Ιουνίου. Στα νούμερα αυτά δεν συμπεριλαμβάνεται ούτε η Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης (ΣΗΘΥΑ) που έχει μείνει σταθερή στα 89,07 MW από τον Ιανουάριο, ούτε οι ΑΠΕ που λειτουργούν στα μη συνδεδεμένα νήσια. 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ- ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΝΕΜΟΥ 31

32 2.1 Ιστορικά στοιχεία Η ενέργεια του ανέμου χρησιμοποιήθηκε από τον άνθρωπο ήδη από την αρχαιότητα. Μάλιστα, τόσο είχε εκτιμηθεί η σπουδαιότητα και η χρησιμότητα των ανέμων, ώστε ο ίδιος ο Δίας, κατά την ελληνική μυθολογία, είχε ορίσει ειδικό «διαχειριστή» των ανέμων τον Αίολο, ο οποίος τους κατηύθυνε από τη μυθική νήσο του, την Αιολία. Εξάλλου, ο εγκλωβισμός των ανέμων στον ασκό του Αιόλου, κατά τον Όμηρο, δείχνει ακριβώς την ανάγκη των ανθρώπων να διαθέτουν τους ανέμους στον τόπο και το χρόνο που ήθελαν. Για πολλές εκατοντάδες χρόνια, η κίνηση των πλοίων στηριζόταν στην δύναμη του ανέμου, ενώ γινόταν εκτεταμένη χρήση του ανεμόμυλου, ως κινητήριας μηχανής, κυρίως στον αγροτικό τομέα. Η χρήση της όμως άρχισε να ατονεί περίπου στις αρχές του αιώνα, λόγω της εμφάνισης άφθονων και φθηνών ορυκτών καυσίμων. Αργότερα, το ενδιαφέρον για την εκμετάλλευση της ενέργειας του ανέμου, κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, εκδηλώθηκε έντονα περί τα μέσα της δεκαετίας του 70 και ήταν αποτέλεσμα της πετρελαϊκής κρίσης, που είχε εν τω μεταξύ ξεσπάσει. Από τότε, μέχρι σήμερα υπάρχει μία συνεχώς αυξανόμενη τάση για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της εκμετάλλευσης της ενέργειας του ανέμου. Στη σημερινή εποχή η αιολική ενέργεια μπορεί να αξιοποιηθεί χρησιμοποιώντας κατάλληλους μηχανισμούς και διατάξεις, τις ανεμογεννήτριες. Η κινητική ενέργεια του ανέμου μετατρέπεται αρχικά σε μηχανική και ακολούθως σε ηλεκτρική, μέσω των ανεμογεννητριών. Παρακάτω παρουσιάζονται οι πιο σημαντικοί χρονολογικοί σταθμοί της εξέλιξης των ανεμογεννητριών: Τον 17 ο αιώνα π.χ. οι πρώτοι ανεμόμυλοι βρίσκονται στο σημερινό Αφγανιστάν και η χρήση τους ήταν για άλεσμα σιτηρών και άντληση ύδατος. Οι πρώτες λεπτομερείς αναφορές για τη χρήση ανεμόμυλων υπάρχουν σε ιστορικά έγγραφα από την Περσία, το Θιβέτ και την Κίνα το 1000 μ.χ. Από την Περσία και τη Μέση Ανατολή οι ανεμόμυλοι διαδίδονται στην Ευρώπη και κάνουν την εμφάνιση τους γύρω στο 11 ο με 12 ο αιώνα για το άλεσμα των δημητριακών. Στην Αμερική εμφανίζονται ανεμόμυλοι το 1800 μ.χ. από τους αποίκους και η χρήση τους για άντληση υδάτων αλλά και άλεσμα δημητριακών γίνεται πολύ δημοφιλής. 32

33 Το 1887 ο Σκωτσέζος James Blyth κατασκεύασε την πρώτη ανεμογεννήτρια που λειτουργούσε ως συσκευή φόρτισης μπαταριών. Το 1888 ο Αμερικανός Charles F. Brush λειτούργησε την πρώτη ανεμογεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο Κλήβελαντ του Οχάιο. Το 1891 ο Δανός Poul - la Cour κατασκεύασε ανεμογεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970 και μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση το ενδιαφέρον για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την αιολική επέστρεψε. Έτσι, μεγάλα ποσά δόθηκαν από χώρες όπως η Γερμανία, η Σουηδία και οι ΗΠΑ για την εξέλιξη και ανάπτυξη των ανεμογεννητριών. Ξεκινά η σύγχρονη αιολική βιομηχανία. Το 1985 κατασκευάζονται ανεμογεννήτριες διαμέτρου πτερυγίων 15m και ισχύος 50kW ενώ έπειτα από 10 χρόνια αυτή η ισχύς άγγιζε τα 600kW και η διάμετρος των πτερυγίων τα 46m. Σήμερα έχουμε κατασκευές ανεμογεννητριών των 7MW με διάμετρο πτερυγίων 164m. 2.2 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Τα κυριότερα οφέλη, τόσο οικονομικά όσο και περιβαλλοντικά όπως προκύπτουν από τη χρήση της αιολικής ενέργειας είναι τα ακόλουθα: Ο άνεμος είναι μια ανεξάντλητη πηγή ενέργειας, η οποία μάλιστα παρέχεται δωρεάν και δύναται να υπερκαλύψει τις ενεργειακές μας ανάγκες. Η Αιολική ενέργεια είναι μια τεχνολογικά ώριμη, οικονομικά ανταγωνιστική και φιλική προς το περιβάλλον ενεργειακή επιλογή. Προστατεύει τη Γη καθώς κάθε μία κιλοβατώρα που παράγεται από τον άνεμο αντικαθιστά μία κιλοβατώρα που παράγεται από συμβατικούς σταθμούς και ρυπαίνει την ατμόσφαιρα με αέρια του θερμοκηπίου. Δεν επιβαρύνει το τοπικό περιβάλλον με επικίνδυνους αέριους ρύπους, μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του θείου, καρκινογόνα μικροσωματίδια κ.α., όπως γίνεται με τους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. 33

34 Ενισχύει την ενεργειακή ανεξαρτησία και ασφάλεια κάτι ιδιαίτερα σημαντικό για τη χώρα μας και την Ευρώπη γενικότερα. Βοηθά στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς ενέργειας. Ωστόσο παρά τα πολύ ουσιαστικά πλεονεκτήματα, χρήσιμο είναι να αναφέρουμε και τα κυριότερα μειονεκτήματα από τη χρήση ανεμογεννητριών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και τα οποία αναφέρουμε ακολούθως: Οι ανεμογεννήτριες προκαλούν προβλήματα θορύβου. Ο εκπεμπόμενος θόρυβος μπορεί να υπαχθεί σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με την προέλευση του, δηλαδή μηχανικός που προέρχεται από τα περιστρεφόμενα μηχανικά τμήματα και αεροδυναμικός που προέρχεται από την περιστροφή των πτερυγίων. Παρόλα αυτά, θα πρέπει να τονίσουμε πως είναι ένα πρόβλημα πάνω στο οποίο γίνονται μελέτες προκειμένου να επιτευχθεί η μείωσή του. Οι ανεμογεννήτριες δημιουργούν προβλήματα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών. Το κυριότερο προέρχεται από τα κινούμενα πτερύγια που μπορούν να προκαλέσουν αυξομείωση σήματος λόγω αντανακλάσεων. Παρόλα αυτά τα πτερύγια των συγχρόνων ανεμογεννητριών κατασκευάζονται αποκλειστικά από συνθετικά υλικά, τα οποία έχουν ελάχιστη επίπτωση στη μετάδοση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Οι ανεμογεννήτριες δημιουργούν αισθητικά προβλήματα και προσβολή του φυσικού τοπίου. Οι ανεμογεννήτριες έχουν επιπτώσεις στον πληθυσμό των πουλιών. Ωστόσο, κατά τη φάση σχεδιασμού και χωροθέτησης του αιολικού πάρκου λαμβάνεται υπόψη το θέμα της προστασίας του πληθυσμού των πουλιών κυρίως σε ευαίσθητες οικολογικά και προστατευόμενες περιοχές καθώς επίσης και σε περάσματα πουλιών. 2.3 Θεωρητική προσέγγιση του ανέμου Μέση ταχύτητα και σχετική κατανομή του ανέμου Ως χαρακτηριστικό για το αιολικό δυναμικό μίας περιοχής θεωρείται η μέση ταχύτητα του ανέμου. Όμως, η γνώση μόνο αυτής δεν αποτελεί από μόνη της κριτήριο 34

35 για την εκτίμηση της αιολικής ενέργειας που μπορεί να προσφέρει μία περιοχή. Απαιτείται, επιπλέον, πληροφόρηση σχετικά με τη συχνότητα της κάθε ταχύτητας ανέμου. Η στατιστική κατανομή της ετήσιας ταχύτητας ανέμου μπορεί να προκύψει από ανεμολογικά δεδομένα μετρούμενα σε ένα καθορισμένο ύψος (10 μέτρα συνήθως). Κατά τη διαδικασία αυτή συνηθίζεται η χρήση μέσων τιμών δεκαλέπτων, τα οποία αξιολογούνται σε διάστημα ενός έτους, ώστε να προκύψει η ετήσια μέση ταχύτητα ανέμου και η ετήσια σχετική κατανομή του. Για να προκύψουν αξιόπιστα στατιστικά αποτελέσματα, χρειάζονται δεδομένα τουλάχιστον μερικών ετών, μέχρι δέκα σύμφωνα με τη μετεωρολογική επιστήμη. Η στατιστική κατανομή της συχνότητας της ταχύτητας του ανέμου συνηθίζεται να μετράται ως συνάρτηση της πυκνότητας πιθανότητας (συνεχής κατανομή) ή της αθροιστικής πυκνότητας πιθανότητας. Όπως φαίνεται γραφικά στο παρακάτω σχήμα, η πρώτη δείχνει απευθείας τις ταχύτητες ανέμου που εμφανίζονται περισσότερο σε μία περιοχή, ενώ η δεύτερη δείχνει ως ποσοστό την περίοδο μέσα στο διάστημα ενός χρόνου, κατά την οποία η ταχύτητα ανέμου πέφτει από την τιμή ενός συγκεκριμένου σημείου της εν λόγω καμπύλης. Ένα επίσης χαρακτηριστικό μέγεθος, που χρησιμοποιείται, είναι ο όρος της ταχύτητας μέγιστης πιθανοφάνειας ( Vmode ή Vmedian ) και αποτελεί την ταχύτητα που βρίσκεται στην αιχμή της σχετικής κατανομής και αντίστοιχα στο 50% της αθροιστικής και συνήθως είναι χαμηλότερη της μέσης ταχύτητας κατά 0,3-0,5 m/s. Σχήμα 2.1: Χαρακτηριστικές κατανομές ανέμου Εξαιτίας των ελλιπών ιστορικών δεδομένων για την ταχύτητα ανέμου στις περισσότερες περιοχές, χρησιμοποιείται η μαθηματική συνάρτηση Weibull, για να χαρακτηρίσει το 35

36 αιολικό δυναμικό μίας περιοχής, η οποία προσεγγίζει σε πολύ καλό βαθμό την κατανομή του ανέμου. Η συνάρτηση αυτή εξαρτάται από την παράμετρο κλίμακας c, η οποία καθορίζει την μέση ταχύτητα ανέμου και μετράται σε m/s, και την παράμετρο μορφής k που συνήθως παίρνει τιμές από 1,5 έως 2,5. Στον Ελλαδικό χώρο συνήθως λαμβάνονται τιμές μεταξύ 1,5 και 2,0. Συχνά (όταν είναι γνωστή μόνο η μέση ταχύτητα του ανέμου) και επειδή είναι δύσκολος ο υπολογισμός της παραμέτρου μορφής, λαμβάνεται η τιμή k=2. Στην περίπτωση αυτή η κατανομή Weibull ονομάζεται κατανομή Rayleigh. Οι μαθηματικές εκφράσεις τους φαίνονται παρακάτω: Weibull: (2.1) Rayleigh: (2.2) Σχήμα 2.2: Μορφή της κατανομής Weibull για διάφορες τιμές της παραμέτρου μορφής k και της παραμέτρου κλίμακας c. Για k=2 δίνεται δεξιά η κατανομή Rayleigh. Όσον αφορά στην κατανομή Rayleigh προκύπτει εύκολα από μαθηματικούς υπολογισμούς η σχέση που συνδέει την παράμετρο c με την μέση ταχύτητα ανέμου V mean και την ταχύτητα μέγιστης συχνότητας V mode. Η μέση ταχύτητα ανέμου δίνεται από τη σχέση: Γ (2.3) Όπου για k=2, δίνει : 36

37 Επίσης, ισχύει : (2.4) Άρα, Αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος και ισχύς ανέμου Η αεροδυναμική ποιότητα του δρομέα παρουσιάζεται μέσω του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος C p και εξαρτάται ουσιαστικά από τον αεροδυναμικό σχεδιασμό των πτερυγίων, μέσω των οποίων γίνεται ουσιαστικά η απορρόφηση της αιολικής ισχύος και εμφανίζει απώλειες λόγω: της αναπόφευκτης καθυστέρησης λόγω της γωνίας πλαγιολίσθησης (yaw) του δρομέα της επιδείνωσης της ποιότητας της επιφάνειας των πτερυγίων του φαινομένου της σκίασης του πύργου (tower shadow) (2-3%) Ο συντελεστής ισχύος ενός ανεμοκινητήρα C p ορίζεται από την σχέση: όπου P M η μηχανική ισχύς που παράγεται (2.5) Ρ αν η στιγμιαία ισχύς του ανέμου: αν ρα (2.6) με Α το εμβαδό της επιφάνειας που διαπερνά κάθετα ο άνεμος, ρ η πυκνότητα της αέριας μάζας και v η στιγμιαία ταχύτητά της. O αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος (στο δρομέα) C p προκύπτει από την αεροδυναμική ποιότητα των πτερυγίων. Η θεωρία των στοιχείων πτερύγωσης χωρίζει το πτερύγιο του δρομέα σε στοιχειώδεις λωρίδες πλάτους dr και συνδέει τις δυνάμεις και ροπές, που το ρευστό (αέρας) εξασκεί κατά τη διέλευση διαμέσου του δακτυλιοειδούς τμήματος του δίσκου πάχους dr πάνω στο δίσκο, με τις αεροδυνάμεις που αναπτύσσονται πάνω στις λωρίδες πτερυγίου του δρομέα. Με ολοκλήρωση σε όλο το μήκος του πτερυγίου προκύπτει μια αναλυτική σχέση για το συντελεστή ισχύος C p από την οποία συμπεραίνουμε ότι ο συντελεστής ισχύος C p εξαρτάται από τα κατασκευαστικά 37

38 χαρακτηριστικά των πτερυγίων R, C, C L, C D αλλά και από τη συνεφαπτομένη της γωνίας φ. Η γωνία φ υπολογίζεται από τη σχέση: φ (2.7) όπου v: η ταχύτητα του ανέμου v B: η γραμμική ταχύτητα της πτέρυγας λόγω περιστροφής. Παρακάτω δίνεται ο μέγιστος αεροδυναμικός συντελεστής C p που υπολογίζεται με βάση το ροϊκό σωλήνα του ανεμοκινητήρα σύμφωνα με τον οποίο ο αέρας πολύ μακριά στα προσήνεμα του δίσκου έχει πίεση p και πλησιάζει το δίσκο με ταχύτητα v 1. Ο δίσκος αφαιρεί ενέργεια από τον αέρα και υπήνεμα από το δίσκο, όπου η πίεση του αέρα θα έχει αποκατασταθεί από την πίεση του περιβάλλοντος p, η ταχύτητα του ανέμου v 3 θα είναι μικρότερη από τη v 1. Σχήμα 2.3: Διαδρομή ενός ρεύματος ανέμου μέσα από τη φτερωτή μιας ανεμογεννήτριας H μέγιστη τιμή που μπορεί να πάρει ο αεροδυναμικός συντελεστής C p έχει υπολογιστεί ότι είναι C p,max =0,592, γνωστή ως όριο του Betz, όταν: και (2.8) Έτσι, σύμφωνα με το νόμο του Betz λιγότερο από το 59% της κινητικής ενέργειας του ανέμου μπορούν να μετατραπούν σε μηχανική ενεργεία μέσω μιας ανεμογεννήτριας. Ο συντελεστής ισχύος της Α/Γ προσδιορίζει πόσο αποδοτικά η μηχανή μετατρέπει την αιολική ενέργεια σε μηχανική. Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε πώς ο συντελεστής ισχύος C p μεταβάλλεται με την ταχύτητα του ανέμου. Παρατηρούμε ότι η μέση απόδοση είναι περίπου 20% ενώ για ταχύτητα ανέμου ίση με 9 m/s παρατηρείται και η μέγιστη απόδοση 44%. Όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι μικρή τότε και η απόδοση είναι χαμηλή (χαμηλή διαθέσιμη αιολική ενέργεια). Αντίθετα, όταν η ταχύτητα του ανέμου 38

39 αυξάνει, αυξάνει και η απόδοση. Ωστόσο, στην περίπτωση αυτή η ανεμογεννήτρια δεν πρέπει να παραλάβει ποσότητα ενέργειας μεγαλύτερη της ονομαστικής. Σύμφωνα, φυσικά, με αυτό το γεγονός καθορίζονται και τα μηχανικά στοιχεία κατά την κατασκευή. Σχήμα 2.4: Συντελεστής ισχύος C p συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου Βέβαια, η πρώτη ύλη στην αιολική ενέργεια είναι ο άνεμος που είναι άφθονος και παρέχεται δωρεάν. Συνεπώς, δεν χρειάζεται να κάνουμε εξοικονόμηση της αιολικής ενέργειας. Η κατασκευή, όμως, και η εγκατάσταση μιας ανεμογεννήτριας έχει οικονομικό κόστος. Επομένως, αυτό που μας ενδιαφέρει είναι η συλλογή όσο το δυνατό μεγαλύτερης ποσότητας ενέργειας με το μικρότερο δυνατό κόστος. Ουσιαστικά, βέλτιστες ανεμογεννήτριες είναι αυτές που παρουσιάζουν μια καλή σχέση ανάμεσα στην παραγόμενη ενέργεια και στο κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας. Επιπλέον, ο αεροδυναμικός συντελεστής εξαρτάται από το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λ και από τη γωνία βήματος β (pitch) των πτερυγίων εάν υπάρχει. Ο λόγος της ταχύτητας ακροπτερυγίου λ δίνεται από την σχέση: λ ταχύτητα άκρου ταχύτητα ανέμου (2.9) όπου R η ακτίνα πτερυγίου ω η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του δρομέα v η ταχύτητα του ανέμου 39

40 Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε τη σχέση μεταξύ του αεροδυναμικού συντελεστή σε σχέση με το λόγο της ταχύτητας ακροπτερυγίου λ όπου παρατηρούμε ότι ο λ παίρνει τη βέλτιστη τιμή του όταν ο C p γίνεται μέγιστος. Σχήμα 2.5: Συντελεστής C p συναρτήσει λ Βέβαια, ο υπολογισμός του C p με δεδομένα τα λ και β μπορεί να γίνει από τον προσεγγιστικό τύπο: λ β λ β λι (2.10) όπου για το λ i ισχύει η σχέση: λ λ β β (2.11) Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται ο συντελεστής ισχύος C p συναρτήσει των λ και β. Η μέγιστη τιμή του C p αντιστοιχεί σε β=0. Έτσι, για β=0 παίρνουμε τη βέλτιστη τιμή για C p, λ και λ i και έχουμε: λ i =8.12, λ opt =6.325 και Cp-opt =

41 Σχήμα 2.6: Καμπύλες Αεροδυναμικού Συντελεστή Ισχύος συναρτήσει των λ και β Τώρα, με τη βοήθεια του λ opt ορίζεται το ω r_opt από τη σχέση: ω λ (2.12) το οποίο όταν είναι μέγιστο μας δίνει την P M_max. 2.4 Αιολική ενέργεια Στατιστικά Υπάρχουν πολλές χώρες παγκοσμίως που παράγουν ένα σημαντικό μέρος της αναγκαίας ηλεκτρικής ενέργειας εκμεταλλευόμενοι την αιολική ενέργεια. Από αυτές ξεχωρίζουν η Γερμανία, η Ισπανία και η Γαλλία σε ευρωπαϊκό επίπεδο, η Κίνα και η Ινδία στην Ασία και οι ΗΠΑ στην Αμερική. Ακολούθως παραθέτουμε ένα σχήμα με τις χώρες με τη μεγαλύτερη παγκόσμια παραγωγή αιολικής ισχύος: 41

42 Σχήμα 2.7: Οι χώρες με τη μεγαλύτερη παγκόσμια παραγωγή αιολικής ισχύος. Στην Ευρώπη, η ενέργεια που παρήχθη από τον άνεμο εμφανίζει ένα μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης της τάξης του 20% τα τελευταία 10 χρόνια, κάτι που αναμένεται να σταματήσει λόγω της παγκόσμιας οικονομικής ύφεσης. Έως το 2020 αναμένεται ότι η παραγωγή αιολικής ενέργειας θα είναι 230GW εγκατεστημένης ισχύος εκ των οποίων 190GW χερσαία και 40GW υπεράκτια. Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε την εγκατεστημένη αιολική ισχύ ανά κράτος στη Ε.Ε. για το

43 Σχήμα 2.8: Η εγκατεστημένη αιολική ισχύς ανά κράτος στην Ε.Ε για το Η Ελλάδα διαθέτει πλούσιο αιολικό δυναμικό ειδικά στα παράλια της ηπειρωτικής Ελλάδας και κυρίως στα νησιά του Αιγαίου Πελάγους. Η αιολική ενέργεια λοιπόν μπορεί να αποτελέσει σημαντική δύναμη ανάπτυξης παίρνοντας υπόψιν και τη ραγδαία αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας τα τελευταία 10 χρόνια. Στο σχήμα που ακολουθεί βλέπουμε τη συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύ στη Ελλάδα από το 1987 έως σήμερα: 43

44 Σχήμα 2.9: Η συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ελλάδα από το 1987 έως σήμερα. 44

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ-ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ 45

46 3.1 Δομή ανεμογεννήτριας Σχήμα 3.1: Χαρακτηριστικά ανεμογεννήτριας. Ο δρομέας διαθέτει συνήθως δύο ή τρία πτερύγια προσδεμένα σε μια πλήμνη. Τα πτερύγια έχουν αεροδυναμικό σχήμα και μπορεί να είναι ενιαία ή να διαθέτουν ακροπτερύγιο. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους (αριθμός πτερυγίων, κατανομή πλάτους, επιλογή αεροτομής, συστροφή) προκύπτουν από την βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής σχεδίασης. Η ηλεκτρογεννήτρια είναι μια σύγχρονη ή επαγωγική μηχανή η οποία συνδέεται με την έξοδο του κιβωτίου πολλαπλασιασμού στροφών. Γενικά προτιμούνται οι επαγωγικές γεννήτριες λόγω της απλότητας της κατασκευής τους, αν και οι σύγχρονες έχουν καλύτερη συμπεριφορά σε αδύνατα δίκτυα. Επιπλέον, το σύστημα προσανατολισμού είναι ένας σερβοκινητήρας ο οποίος ελέγχεται από τον ανεμοδείκτη του ανεμογράφου και αναγκάζει συνεχώς τον άξονα περιστροφής του δρομέα να βρίσκεται παράλληλα με τη διεύθυνση του ανέμου. Το σύστημα πέδης είναι ένα κοινό δισκόφρενο τοποθετημένο στον κύριο άξονα της γεννήτριας. Τέλος, η θεμελίωση γίνεται με οπλισμένο σκυρόδεμα πάνω στο οποίο τοποθετείται με βίδες ο πύργος που στηρίζει την άτρακτο και το δρομέα. Έχει κωνικό σχήμα, ώστε να εξυπηρετεί στην αύξηση της αντοχής και στην εξοικονόμηση υλικών, με διάμετρο που αυξάνεται όσο πλησιάζουμε τη βάση. Είναι συνήθως μεταλλικός, σωληνωτός ή δικτυωτός και σπανιότερα από οπλισμένο σκυρόδεμα ενώ το ύψος του είναι τέτοιο ώστε ο δρομέας να δέχεται 46

47 αδιατάρακτη από το έδαφος ροή του ανέμου. Μεγάλης σημασίας είναι η γείωση που πρέπει να έχει η μεταλλική κατασκευή της ανεμογεννήτριας. 3.2 Κατηγορίες ανεμογεννητριών Οι ανεμογεννήτριες κατατάσσονται, ανάλογα με τον προσανατολισμό του άξονα τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου, σε δύο βασικές κατηγορίες: Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα Οριζόντιου άξονα 47

48 Είναι οι ανεμογεννήτριες οι οποίες περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα οριζόντιο ως προς το επίπεδο του εδάφους και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Είναι η συνηθισμένη εικόνα της ανεμογεννήτριας που έχουμε οι περισσότεροι στο μυαλό μας, αφού αυτές έχουν επικρατήσει για διάφορους λόγους που θα αναφέρουμε παρακάτω Κάθετου άξονα Είναι οι ανεμογεννήτριες οι οποίες περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα ο οποίος είναι κάθετος ως προς το επίπεδο του εδάφους και ως προς τη ροή του ανέμου. Ο τρόπος κατασκευής τους τους επιτρέπει να "πιάνουν" τον αέρα από κάθε κατεύθυνση. Οι πιο γνωστοί τύποι ανεμογεννητριών κάθετου άξονα είναι οι Savonius και Darrieus. Οι ανεμογεννήτριες τύπου Savonius είναι οι απλούστερες κατασκευαστικά. Αποτελούνται από ένα σωλήνα κομμένο στη μέση κατά μήκος, με τα δύο κομμάτια τοποθετημένα κάθετα όπως στο παρακάτω σχήμα (αυτό που βλέπουμε όταν κοιτάμε κάθετα την ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα τύπου Savonius από ψηλά): Σχήμα 3.2: Κάτοψη ανεμογεννήτριας κάθετου άξονα τύπου Savonius 48

49 Οι ανεμογεννήτριες τύπου Darrieus βελτιώνουν σημαντικά την απόδοση, χωρίς όμως ποτέ να φτάνουν την απόδοση μιας σωστά σχεδιασμένης ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα Σύγκριση ανεμογεννητριών οριζόντιου και κάθετου άξονα Η ευκολότερη κατασκευή των πτερυγίων και η έλλειψη της ανάγκης για μηχανισμό φρεναρίσματος των ανεμογεννητριών κάθετου άξονα σε υψηλές ταχύτητες ανέμου σε αντίθεση με την αναγκαστική τοποθέτηση της γεννήτριας και του κιβωτίου ταχυτήτων πάνω στον πύργο των ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα καθιστά τις τελευταίες πιο δύσκολες κατασκευαστικά και ασύμφορες οικονομικά. Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα δεν χρειάζονται μηχανισμό προσανατολισμού της μηχανής με τον άνεμο σε αντίθεση με τις ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα στις οποίες απαιτείται προσανατολισμός στην κατεύθυνση του ανέμου μέσω ενεργού μηχανισμού περιστροφής. Έτσι οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα είναι καταλληλότερες σε τοποθεσίες όπου ο αέρας δεν είναι σταθερός ή που περιβάλλονται από κάποια μικρά εμπόδια (με σημαντικά μειωμένη απόδοση όμως). Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα είναι ασφαλέστερες διότι δεν υπάρχει ο κίνδυνος να σπάσει κάποιο πτερύγιο, ούτε κινούνται με την μεγάλη ταχύτητα στροφών που κινούνται οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα. Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα έχουν πολύ χαμηλή απόδοση. Αυτό παρατηρείται σε μεγάλο βαθμό στον τύπο ανεμογεννητριών Savonius όπου η απόδοση δεν ξεπερνά το 15% αλλά και στους άλλους τύπους σε μικρότερο βαθμό. Αξίζει να αναφερθεί ότι μια καλή μικρή ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα έχει μέση απόδοση 30%-40%. Συνεπώς, για να επιτύχει μια ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα την ίδια περίπου παραγωγή με μια οριζόντιου άξονα, θα πρέπει η κάθετου άξονα να έχει μέχρι και τριπλάσια επιφάνεια επαφής με τον αέρα. Αυτό συνεπάγεται μεγάλο όγκο και βάρος της κατασκευής. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα δεν απαιτούν πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, με αποτέλεσμα και στις πιο μικρές ταχύτητες ανέμου να έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Αντίθετα, οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα, λόγω χαμηλότερων στροφών περιστροφής ανά 49