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 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αιολική ονοµάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκµετάλλευση του πνέοντος ανέµου Χρησιµοποιείται από την αρχαιότητα στη ναυσιπλοΐα Πρόκειται για ανανεώσιµηπηγήενέργειας, 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. Ο Αίολοςείχεοριστείαπό 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.)

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η πρώτη χρήση αιολικής ενέργειας έγινε στη ναυσιπλοΐα, ενώ οι πρώτοι ανεµόµυλοι χρησιµοποιήθηκαν για άλεσµαδηµητριακών 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 3 ο αιώνα µ.χ. Στην Ευρώπη αναπτύχθηκαν διάφορα είδη ανεµόµυλου (οριζόντιου άξονα) από τον 3 ο αιώνα και πιθανόν οι νερόµυλοι να αποτέλεσαν πρότυπο για την κατασκευή τους Το 7 ο αιώνα η τεχνολογία µεταφέρεται στην Αµερική όπου οι ανεµόµυλοι χρησιµοποιήθηκαν κυρίως για άντληση νερού Στην Ελλάδα (ειδικότερα στο Αιγαίο) ηχρήσηανεµοµύλων χρονολογείται από το 3ο αιώνα. Το 96 υπήρχαν ανεµόµυλοι στο Οροπέδιο Λασιθίου, 5 στην υπόλοιπη Κρήτη, και 6 στη Ρόδο Οπρώτοςανεµόµυλος για παραγωγή ηλεκτρισµού κατασκευάστηκε το 888 στο Cleveland του Ohio. Είχε διάµετρο πτερωτής 7 µέτρα και ισχύ kw Σήµεραη ανίαχώραπλούσιασεαιολικόδυναµικόέχειταπρωτείαστην κατασκευή αλλά και στην χρήση ανεµογεννητριών Πριν 3 χρόνια, µια τυπική ανεµογεννήτρια ήταν της τάξης των 5 kw. Σήµερα, οι αιολικές µηχανές που κατακσευάζονται 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 (κτίσµατου ου π.χ. αιώνα) στην Πλάκα. Απηλιώτης (Λεβάντες) Λιψ (Γαρµπής) Νότος (Όστρια) Εύρος (Σιρόκος)

3 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Πύργος των Ανέµων Το επίσηµο όνοµαείναιωρολόγιο του Κυρρήστου, (το κατασκεύασε ο Ανδρόνικος ο Κύρρηστος τον 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 τέτοιοτρόπο ώστε να σχηµατίζει ποδιά, η οποίαείναιγεµάτη 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 χιόνικαι 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 δύστροπηόψη. 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 ). Οάνεµος 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 τηςπρύµνης 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 Απόλλωναπουστοχέριτουκρατούσετµήµα τηςπρύµνης, 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 (8 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 Χαµηλή πίεση ITCZ Χαµηλή πίεση 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 µενερό Οήλιοςείναιπάνωαπό τον ισηµερινό Χ Πολικό µέτωπο Υ Τροπικές υφέσεις 7

8 ΚΛΙΜΑΚΑ BEAUFORT Ταχύτητα ανέµου B Χαρακτηρισµός m/s km/h κόµβοι Άπνοια -. < < Σχεδόν άπνοια < Πολύ ασθενής Ασθενής Σχεδόν µέτριος Μέτριος Ισχυρός Πολύ ισχυρός Θυελλώδης Πολύ θυελλώδης Θύελλα Ισχυρή θύελλα Τυφώνας >= 3.7 >= 8 >= 64 Περιστατικά θυελλωδών ανέµων στην Ελλάδα Ηµεροµηνία Περιοχή Μέγεθος Παρατηρήσεις /7/983 Θεσσαλονίκη 5 km/h > Β 4-5/7/985 Αιγαίο Β //987 Σαρωνικός 5 km/h > Β Ανθρώπινα θύµατα 6//993 Κύθηρα Β 3//994 Αιγαίο Β 5-6/3/998 Αττική Β Καταστροφές 4// Αττική Β Πτώση ελικοπτέρου -// Νότιο Αιγαίο Β 6-7//3 ωδεκάνησα Β 7/3/3 Πελοπόννησος Β 7//3 Αιγαίο Β //4 Λήµνος 5 km/h 4 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 -34 κόµβους κόµβους > 64 κόµβους Μέγιστη ταχύτητα ανέµου (km/h) > 49 Κατηγορία 3 4 Κατηγορία ΙΑΠΩΝΙΑ Μέγιστη ταχύτητα ανέµου (km/h) > 94 ΑΥΣΤΡΑΛΙΑ Μέγιστη ταχύτητα ανέµου (km/h) < > 8 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Οριζοντίου άξονα 9

10 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Κοπεγχάγη Υπεράκτια αιολικά πάρκα Η εγκατάσταση υπεράκτιων αιολικών πάρκων κερδίζει συνεχώς έδαφος Το κατασκευάστηκε το µεγαλύτερο πάρκο στη δυτική ακτή της ανίας (Horns Rev) σε απόσταση 4- km µέσαστηβόρειαθάλασσαενώη κυβέρνηση στοχεύει να εγκαταστήσει 4 MW στα νερά της, έως το 3.

11 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Κατακορύφου άξονα Η κατακόρυφη ανεµογεννήτρια του σχήµατος είναι η πιο διαδεδοµένη. Ονοµάζεται Darrieus από τον Γάλλο µηχανικό που την κατοχύρωσε το 93. Πλεονεκτήµατα δεν χρειάζονται σύστηµα προσανατολισµού ηηλεκτρική 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 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ανεξαρτησία από ορυκτά καύσιµα (δεν επιβαρύνει το περιβάλλον µεαέριους ρύπους, παρέχει προστασία έναντι της αστάθειας τιµών των ορυκτών καυσίµων) Ιδιαίτερα φιλική στο περιβάλλον µεαµελητέες 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 Σύστηµαπαραγωγήςενέργειαςµε µικρές απώλειες Ανεξάρτητη από κεντρικά δίκτυα διανοµής

12 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Οεκπεµπόµενος θόρυβος προέρχεται από τα περιστρεφόµενα µηχανικά τµήµατα και από την περιστροφή των πτερυγίων. Εκτιµάται σε περίπου 44 db σε απόσταση m γιαταχύτηταανέµου 8 m/s Η οπτική όχληση είναικάτιυποκειµενικό 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 τοαυτόπουοφείλεταισε 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 Σχετικά υψηλό κόστος έρευνας του αιολικού δυναµικού και εγκατάστασης της µηχανής ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Κύρια µέρη. Πύργος. Είναι κυλινδρικής µορφής κατασκευασµένος από χάλυβα και συνήθως αποτελείται από δύο η τρία συνδεδεµένα τµήµατα.. Θάλαµος που περιέχει τα µηχανικά υποσυστήµατα (κύριος άξονας, σύστηµαπέδησης, κιβώτιο ταχυτήτων ηλεκτρογεννήτρια) Ο κύριος άξονας µετοσύστηµα πέδησης είναι παρόµοιος µε τον άξονα των τροχών ενός αυτοκινήτου µε υδραυλικά δισκόφρενα. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι παρόµοιας κατασκευής µε εκείνοτου 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 ανεµογεννήτριαςσεόλεςτις συνθήκες. 4. Τα πτερύγια. Είναι κατασκευασµένα από σύνθετα υλικά (υαλονήµατα και ειδικές ρητίνες), σχεδιασµένα για να αντέχουν σε µεγάλες καταπονήσεις

13 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Χαρακτηριστικά µεγέθη. ιάµετρος της πτερωτής D. Μια τυπική µηχανή MW έχει διάµετρο πτερωτής 55 m. Ύψος τοποθέτησης Η Συνήθως <Η/D< 3. Πλήθος των πτερυγίων Έχουν επικρατήσει οι αιολικές µηχανές µε 3 πτερύγια. Με λιγότερα πτερύγια ( ή ) απαιτείται µεγαλύτερη ταχύτητα περιστροφής για το ίδιο ενεργειακό αποτέλεσµα που συνεπάγεται περισσότερο θόρυβο και φθορές, µε µόνο πλεονέκτηµα τοµικρότερο 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 τέτοιωνανεµοµύλων αποτελούν οι αµερικανικοί του 8 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<=6/7=.593 (όριο Betz, 99). Πρακτικά στην περίπτωση καλού σχεδιασµού ο συντελεστής κυµαίνεται στο Ονοµαστική ισχύς ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Θεωρητική αιολική ισχύς I= E / t = (/) m V / t = (/) ρ LAV / t = (/) 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 ) L διαδροµήανέµου σε χρόνο t (m) A (m ) V (m/s) L (m) Ονοµαστική ισχύς ανεµογεννήτριας I = (/) C η Μ η Ε ραv 3 C η Μ η H συντελεστής ισχύος βαθµός απόδοσης µηχανικού συστήµατος βαθµός απόδοσης ηλεκτροµηχανικής µετατροπής 3

14 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (kw) 4 3 ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Θεωρητική αιολική ισχύς συναρτήσει της ταχύτητας Πυκνότητα αέρα:.5 kg/m Θεωρητική ισχύς συναρτήσει της διαµέτρου (ταχύτητα m/s) D = m D = m D = m I =.48 kw I =48. kw I =4.8 MW Θεωρητική Ισχύς (kw). ιάµετρος: 3 m ιάµετρος: m ιάµετρος: m ιάµετρος (m) ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Θεωρητική αιολική ενέργεια για D= m ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) Ισοκατανοµή ταχυτήτων ανέµου Συνολική ενέργεια: 99 kwh/y Μέση τιµή ταχύτητας: m/s Ενέργεια µέσης τιµής: 43 kwh/y Συµµετρική κατανοµή ταχυτήτων ανέµου Συνολική ενέργεια: 74 kwh/y Μέση τιµή ταχύτητας:.5 m/s Ενέργεια µέσης τιµής: 4877 kwh/y Τυπική κατανοµή ταχυτήτων ανέµου Συνολική ενέργεια: 57 kwh/y Μέση τιµή ταχύτητας: 7. m/s Ενέργεια µέσης τιµής: 58 kwh/y

15 ΟΡΙΟ BETZ Σε αυτοκινητόδροµο µε συνεχή ροή τα αυτοκίνητα εισέρχονται σε σταθµό διοδίωνµε ταχύτητα V= m/s και εξέρχονται µε ταχύτητα(v) που είναι συνάρτηση της τιµής των διοδίων Τ (<=T<= EURO) και δίδεται από τη σχέση V (m/s)=-t. Ποια είναι η τιµή των διοδίων που µεγιστοποιεί τις ηµερήσιες εισπράξεις; ιόδια Ταχύτητα εισόδου: V = m/s Ταχύτητα εξόδου: V =-T m/s Τιµή (Τ): - EURO Εισπράξεις (EURO/h) ΙΟ ΙΑ (EURO) ΤΑΧΥΤΗΤΑ (m/s) ΕΙΣΠΡΑΞΕΙΣ (EURO) ΤΑΧΥΤΗΤΑ (m/s) Κινητική ενέργεια εισόδου Ε =.5* m* V ΟΡΙΟ BETZ A Κινητική ενέργεια εξόδου V A V V Ε =.5* m * V ( V ) de =.5* m * V ύναµη στο ρότορα m = ρ * Α * L dm = ρ * Α * V dt ( V V ) = * Α * V ( V ) F = m * γ = m * dv / dt = dm / dt * ρ A V * Έργο Ισχύς de = F * dl I ( V ) A = de / dt = F * dl / dt = F * VA ρ * Α* VΑ * V Ισχύς µε βάση την κινητική ενέργεια de dt dm = I A =.5* ( V V ) I A =.5* ρ * Α * VA * ( V V dt ) 5

16 .5*.5* Ισχύς µε βάσητην κινητική ενέργεια ρ * Α* VA *( V V ) = ρ * Α* VΑ *( V V ).5* ( V V ) = VΑ *( V V ) ( V V )*( V + V ) = V *( V V ) V =.5* ( V + V ) Α ΟΡΙΟ BETZ Ισχύς A I A =.5* ρ * Α* V A *( V V ) I A =.5* ρ * Α * V V * + V 3 V V V V 3 Ισχύς V/V di A V = 3* V d ) V V V = V ( I A MAX V + * V 6 = *.5* ρ * Α * V 7 3 = 3 3 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Καµπύλεςισχύοςανεµογεννήτριας Ησχέσηµεταξύ της καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από µία ανεµογεννήτρια και της ταχύτητας του ανέµου στη συγκεκριµένη θέση. 5 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 µε ανεµόµετρο 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 6

17 Συντελεστής ισχύος (Power coefficient) Ο λόγος της ισχύος που παράγει η ανεµογεννήτρια σε κάθε ταχύτητα ανέµου, προς τη θεωρητική..5 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ιακύµανση συντελεστή ισχύος τυπικής ανεµογεννήτριας σε σχέση µε την ταχύτητα ανέµου.5 m/s Τα χαρακτηριστικά της ανεµογεννήτριας όπως η έναρξη-λήξη λειτουργίας και µέγιστη τιµή (.45) είναι επιλογή των κατασκευαστών της ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Μοντέλο Zeus 5/4 Μέγιστη ισχύς (kw) 5 ιάµετρος (m) 9.8 Ύψος (m) 48.7 Ταχύτητες λειτουργίας (m/s) 4-5 Ταχύτητα µέγιστης ισχύος (m/s) 5 Συντελεστής µέγιστης ισχύος.6 Τιµή 335. $ Skystream $ 5.5 Ισχύς (kw) Ισχύς (kw) 5 5 Ταχύτητα ανέµου (m/s) 5 5 Ταχύτητα ανέµου (m/s) 7

18 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ Παγκόσµια εγκατεστηµένη αιολική ισχύς 479 MW (4) και 5898 MW (5) ΧΩΡΑ Γερµανία Ισπανία ΗΠΑ ανία Ινδία Ιταλία Ολλανδία Ιαπωνία Βρετανία Κίνα Σύνολο ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ (MW) ΠΟΣΟΣΤΟ ΣΥΜΜΕΤΟΧΗΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ανία 9% Αυστραλία.5% Γερµανία 5.5% Ιρλανδία % ΗΠΑ.4% Ελλάδα.35% ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Κατάσταση στην Ελλάδα (7) Αιολικά πάρκα σε λειτουργία (746 MW) 8

19 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 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΡΓΟΥ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μέτρηση Αιολικού δυναµικού µετρήσεις αιολικού δυναµικού απαραίτητες για σχεδιασµόκαικαλό 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 m στον οποίο τοποθετούνται ένα ή περισσότερα ανεµόµετρα και ανεµοδείκτες για τουλάχιστον έτος Χωροθέτηση εντοπισµός κατάλληλων περιοχών (µε πλούσιο αιολικό δυναµικό) µε σκοπό την µεγαλύτερη δυνατή χωρική συγκέντρωση αιολικών πάρκων καθιέρωση κανόνων χωροθέτησης µεσκοπότηναρµονική ένταξη τους στο φυσικό και ανθρωπογενές περιβάλλον και περιορισµότων συγκρούσεων χρήσεων γης ορισµός περιοχών Αιολικής προτεραιότητας 9

20 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΡΓΟΥ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αιολικό δυναµικό ΑΙΟΛΙΚΟ ΥΝΑΜΙΚΟ (ΚΑΠΕ )

21 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) ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 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 5% Όταν ο αέρας βρει άνοιγµα, η ταχύτητατουµπορεί να αυξηθεί έως και 5% (tunnel effect) Ηταχύτηταανέµου αυξάνεται στις κορυφές λόφων (hill effect) ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Επιλογή θέσης ανεµογεννητριας σε σχέση µεεµπόδιο Η Επικρατών άνεµος Περιοχή έντονα διαταραγµένης ροής ανέµου Η Η Η Η 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.

22 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Επίδραση εµποδίου ύψους m και µήκους 6 m σε ανεµογεννήτρια ύψους 5 m και σε απόσταση 3 m Ποσοστό ταχύτητας ανέµου Ποσοστό αιολικής ενέργειας ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑΣ (% 4 3 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Πεντέλη ΠΟΣΟΣΤΟ ΕΤΟΥΣ (%) > 4 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL > ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑΣ (% 3 ΠΕΝΤΕΛΗ ΨΥΤΑΛΛΕΙΑ Ψυτάλλεια ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL > ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ (% ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ (% ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL

23 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Υψοµετρική µεταβολή της ταχύτητας ανέµου u = u z ln z z ln z όπου u, u ηταχύτηταανέµου σε ύψη z και z αντίστοιχα z ηπαράµετρος τραχύτητας Τυπικές τιµές της παραµέτρου τραχύτητας z για διάφορες φυσικές επιφάνειες (cm) Πάγος. Ασφαλτοστρωµένη επιφάνεια. Υδάτινη επιφάνεια.-.6 Χλόη ύψους µέχρι cm. Χλόη ύψους µέχρι - cm.-. Χλόη-σιτηρά κλπ ύψους -5 cm -5 Φυτοκάλυψη ύψους - m ένδρα ύψους -5 m 4-7 Πηγή: Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος, 999 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΜΠΥΛΗ ΙΣΧΥΟΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ WINCON W5/9 3 5 ΙΣΧΥΣ (kw) 5 ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΜΦΑΝΙΣΗΣ (% ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΕΜΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/ΕΤΟΣ) ΕΤΗΣΙΑ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

24 Κατανοµή ταχυτήτων ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Καταλληλότητα καµπύληςισχύοςσε σχέση µε ταανεµολογικά χαρακτηριστικά 5 Ενέργεια (MWh) Σύνολο (MWh) Καµπύλη ΙΣΧΥΣ (kw) 4 3 Αρχή λειτουργίας Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y) Καµπύλη ΙΣΧΥΣ (kw) Αρχή λειτουργίας Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y) Καµπύλη 3 ΙΣΧΥΣ (kw) Αρχή λειτουργίας Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y) 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.5. kwh σε ένα έτος Ο συντελεστής δυναµικότητας είναι: 5 /(8766*6)=.85 = 8.5 % Συνήθως ο συντελεστής δυναµικότητας κυµαίνεται από