ΤΡΟΠΟΙ ΙΑΣΥΝ ΕΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΠΑΡΚΩΝ ΜΕ ΤΟ ΕΘΝΙΚΟ ΙΑΣΥΝ Ε ΕΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ

Transcript

1 ΤΡΟΠΟΙ ΙΑΣΥΝ ΕΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΠΑΡΚΩΝ ΜΕ ΤΟ ΕΘΝΙΚΟ ΙΑΣΥΝ Ε ΕΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ Σωκράτης Παστρωµάς ιπλ/χος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Τεχνολογίας Υπολογιστών Υποψήφιος ιδάκτορας Παν. Πατρών Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων Αθανάσιος Σαφάκας Καθηγητής Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας Περίληψη Η παρούσα εργασία έχει ως αντικείµενο αναφοράς την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας για ηλεκτροπαραγωγή και πραγµατεύεται κυρίως το θέµα του τρόπου διασύνδεσης των αιολικών πάρκων µε το δίκτυο µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας µέσω ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος. Στα πλαίσια της παρούσης γίνεται αναφορά στους λόγους που έστρεψαν το διεθνές ενδιαφέρον προς την ευρεία εκµετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Το κύριο µέρος της εργασίας αφορά στη διασύνδεση αιολικών πάρκων είτε µε τη µεσολάβηση ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος µεταξύ ανεµογεννήτριας και δικτύου είτε µε κατευθείαν σύνδεση αυτής µε το δίκτυο µε έµµεση χρήση ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος. Σε αυτό περιγράφεται ο τρόπος µε τον οποίο επιτυγχάνεται η διασύνδεση ανεµογεννητριών µε το δίκτυο δίνοντας βάρος σε πρακτικά και τεχνικά ζητήµατα. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αιολική ενέργεια είναι σηµαντική ανανεώσιµη πηγή ενέργειας και βρίσκεται σε µεγάλη άνθηση την τελευταία δεκαετία στην Ευρώπη αλλά και παγκόσµια. Αυτό διότι το «καύσιµο», ο αέρας, παρέχεται άµεσα και χωρίς κόστος και επιπλέον εκµεταλλεύεται από τους ανεµοκινητήρες οι οποίοι έχουν καλό βαθµό απόδοσης και τις καθιστά κατάλληλες για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε µεγάλη κλίµακα. Η χώρα µας έδειξε έντονο ενδιαφέρον από το 2000 και έπειτα αποφασίζοντας να εκµεταλλευτεί το πλούσιο αιολικό δυναµικό και να δώσει ώθηση σε µεγάλες επενδύσεις προς αυτή την κατεύθυνση η οποίες θα εµφανίζουν συνεχώς αυξητικές τάσεις στο µέλλον λόγω της Ευρωπαϊκής οδηγίας που απαιτεί το 20% της ηλεκτροπαραγωγής κάθε κράτους να προέρχεται από Α.Π.Ε. µέχρι το ΕΝ ΙΑΦΕΡΟΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ερευνητικό και εµπορικό ενδιαφέρον για τις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε.) και για τον τρόπο µε τον οποίο µπορούν να αξιοποιηθούν. Ο όρος ανανεώσιµες αποδίδεται, διότι οι πηγές αυτές έχουν το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό ότι ανανεώνονται διαρκώς λόγω της φύσης τους, συνεπώς είναι ανεξάντλητες και προσφέρονται δωρεάν στον άνθρωπο προς εκµετάλλευση. Αφορµή γι` αυτό αποτέλεσε η πετρελαϊκή κρίση του 1973, η οποία κατέστησε σαφές διεθνώς ότι τα αποθέµατα του πετρελαίου, στο οποίο βασιζόταν ως επί το πλείστον η παραγωγή οποιασδήποτε µορφής αξιοποιήσιµης ενέργειας, είναι «πεπερασµένα» και «περιορισµένα». Σε αυτό βοήθησε η χρήση ειδικών δορυφόρων οι οποίοι χαρτογράφησαν τα

2 αποθέµατα του «µαύρου χρυσού». Με την πάροδο των χρόνων, η εξέλιξη της τεχνολογίας και κατά συνέπεια της βιοµηχανίας ήρθε να δηµιουργήσει νέα δεδοµένα στην ανθρωπότητα. Η ανάγκη για ενέργεια εµφανίζει συνεχώς αυξητικές τάσεις παγκοσµίως και κατά συνέπεια και στην Ελλάδα. Στο σχήµα 1 απεικονίζεται η παγκόσµια ενεργειακή κατανάλωση (ιστορικό πρόβλεψη) τα έτη ενώ στο σχήµα 2 οι ετήσιες αιχµές του ελληνικού διασυνδεδεµένου συστήµατος από το Η αύξηση της ζήτησης οφείλεται, στη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου της ανθρωπότητας που δηµιούργησε νέες καταναλωτικές ανάγκες και συνήθειες, στις καιρικές συνθήκες και σε άλλους παράγοντες. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα τα αποθέµατα ορυκτών καυσίµων που χρησιµοποιούνται ως επί τον πλείστον σε µεγάλη κλίµακα για την παραγωγή της να µειώνονται συνεχώς. Σχήµα 1: Παγκόσµια ενεργειακή κατανάλωση [1]. Σχήµα 2: Ετήσιες Αιχµές Ελληνικού διασυνδεδεµένου [1]. H καύση τους έχει ως αποτέλεσµα την εκποµπή µιας µεγάλης ποικιλίας και ποσότητας ρύπων όπως οξείδια του θείου (SOx) και του αζώτου (NOx), µονοξείδιο του άνθρακα (CO), και κυρίως CO 2. Στο σχήµα 3 φαίνεται η ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα που διοχετεύεται στην ατµόσφαιρα ανά χρήση αλλά και συνολικά για τα έτη σε εθνικό επίπεδο. Στο σχήµα 4 απεικονίζεται µια πρόβλεψη για την αύξηση των εκποµπών CO 2 οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για το φαινόµενο του θερµοκηπίου τα επόµενα χρόνια. Τα στοιχεία αυτά καταδεικνύουν την αναγκαιό- 140, , ,000 kt CO2 equiv. 80,000 60,000 40,000 20, EN-Energy Industries EN-Transport EN-O ther Industrial processes Agriculture EN -Manufacturing Industries and Construction EN -R esidential, Tertiary, Agriculture EN -Fugitive Solvents W aste Σχήµα 3: Εκποµπές ΑΦΘ κατά την περίοδο σύµφωνα µε στοιχεία του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών [6].

3 Σχήµα 4: Προβλέψεις εθνικών εκποµπών ΑΦΘ σύµφωνα µε έρευνα του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών [6]. τητα λήψης µέτρων περιορισµού αυτού του φαινοµένου. Οι Α.Π.Ε. µπορούν να συµβάλλουν πολλά προς αυτή την κατεύθυνση. Από εδώ διαπιστώνεται ότι η µόλυνση της ατµόσφαιρας αυξάνει διαρκώς αποδεικνύοντας ότι υπάρχει σοβαρό πρόβληµα για τον πλανήτη. Απόρροια αυτού είναι η τρύπα του όζοντος και το φαινόµενο του θερµοκηπίου όπως ειπώθηκε. Το πρώτο απειλεί άµεσα τη δηµόσια υγεία αφού η ατµόσφαιρα έπαψε πια να αποτελεί σωστό φίλτρο κατά των υπεριωδών ακτινοβολιών UVA-UVB οι οποίες είναι υπεύθυνες για διάφορες καρκινογενέσεις µε κύρια αυτή του δέρµατος. Το δεύτερο έχει ως αποτέλεσµα την αλλαγή των κλιµατολογικών συνθηκών του πλανήτη που είναι εµφανείς ακόµη και στις µέρες µας. Αυτά οδήγησαν τους υπουργούς περιβάλλοντος των κρατών-µελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης να υπογράψουν µια αµοιβαία συµφωνία προκειµένου να µειωθούν τα αέρια που ήταν υπεύθυνα για το φαινόµενο του θερµοκηπίου (µεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα κ.τ.λ.) κατά 8% µέχρι το 2012 σε σύγκριση µε τα επίπεδα του Στα παραπάνω µπορούν να προστεθεί το πρόβληµα διαχείρισης των αποβλήτων το οποίο είναι κρίσιµο τόσο για τη δηµόσια υγεία όσο και για το περιβάλλον. Είναι γνωστή η ρύπανση των θαλασσών ή η καταστροφή οικοσυστηµάτων εξαιτίας της αλόγιστης εναπόθεσης αποβλήτων. Η καταστροφή καλλιεργήσιµων εκτάσεων, η µόλυνση και πιθανώς η εξάντληση υδάτινων πόρων, η καταστροφή τόπων φυσικού κάλλους µε αποτέλεσµα την εξάλειψη σπανίων ειδών πανίδας και άρα η διατάραξη ενός οικοσυστήµατος ή βιοτόπων γενικότερα είναι µερικές από τις συνέπειες λανθασµένης και απερίσκεπτης διαχείρισης των αποβλήτων. Επιπρόσθετα αξίζει να αναφερθούν και τα προβλήµατα στην προµήθεια νερού που σταδιακά θα αρχίσουν να εµφανίζονται, αφού η προϋπόθεση για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είτε από στερεά καύσιµα είτε από πυρηνικά είναι τα τεράστια ποσά νερού που απαιτούνται για την ψύξη των ατµοστροβίλων και των πυρηνικών αντιδραστήρων αντίστοιχα. Το νερό αποτελεί ένα πολύ καλό και προπάντων πολύ φθηνό ψυκτικό µέσο, εποµένως απαραίτητο για την οµαλή λειτουργία των παραπάνω µονάδων παραγωγής. Ειδικά στην περίπτωση των πυρηνικών εργοστασίων ακόµη και των ατµοηλεκτρικών µονάδων παρά τα υψηλά επίπεδα ποιότητας του εξοπλισµού και των αυστηρών µέτρων ασφαλείας, υπάρχει πάντα ο κίνδυνος ατυχήµατος ή σαµποτάζ µε αποτέλεσµα τραγικές συνέπειες. Οι µνήµες από το ατύχηµα στο Τσέρνοµπιλ της Ρωσίας το 1986 είναι νωπές και οι συνέπειες εµφανείς ακόµη και σήµερα τόσο για την ίδια τη χώρα όσο και για τις γειτονικές χώρες. Οι µοριακοί βιολόγοι αναφέρουν τόσο εξωτερικά προβλήµατα στους ανθρώπους της ευρύτερης περιοχής όσο και αλλοίωση στο γενετικό τους κώδικα µε αποτέλεσµα την κληροδότηση προβληµάτων σε επόµενες «αθώες» γενιές. Επιπλέον κάθε κράτος επιθυµεί ενεργειακή αυτονοµία, ως εκ τούτου αναζητά τρόπους για να την αποκτήσει, ειδικά όταν είναι φτωχό σε ορυκτό ενεργειακό πλούτο, άρα οι ΑΠΕ αποτελούν πρόκληση προς αυτή την κατεύθυνση. Ακόµα ένα ευπρόσδεκτο χαρακτηριστικό των ΑΠΕ είναι ότι οι τεχνολογίες εκµετάλλευσής τους βρίσκονται µέσα στις κατασκευαστικές δυνατότητες των τεχνολογικά αναπτυσσόµενων χωρών. Εποµένως, εκτός από την προσφορά στο ενεργειακό ισοζύγιο µιας χώρας, συνεισφέρουν σηµαντικά, εφόσον αναπτυχθούν κατάλληλα, και στη δηµιουργία νέων θέσεων εργασίας. Ειδικά για την χώρα µας αποτελεί ιστορική πρόκληση η δηµιουργία µιας εθνικής βιοµηχανίας

4 για την εκµετάλλευση των ΑΠΕ αν και έχουν σηµειωθεί κάποιες προσπάθειες τα τελευταία χρόνια προς την κατεύθυνση αυτή, όπως η κατασκευή της ανεµογεννήτριας «Πυρκάλ», από την οµώνυµη εταρεία. 3. ΛΟΓΟΙ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΥΡΕΙΑ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Τα τελευταία πέντε χρόνια σηµειώνεται αλµατώδης ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας τόσο σε ευρωπαϊκό όσο και σε διεθνές επίπεδο. Οι λόγοι για τους οποίους επιλέγεται αυτό το είδος «ανανεώσιµης πηγής ενέργειας» προκύπτουν από τη σύγκριση µεταξύ των άλλων µορφών ανανεώσιµων πηγών ενέργειας η οποία δεν εµπίπτει στο σκοπό του παρόντος. Η αιολική ενέργεια εµφανίζει τα ακόλουθα πλεονεκτήµατα για την παραγωγή ηλεκτρισµού: 1) Το βασικό «καύσιµο» παρέχεται δωρεάν απ` τη φύση, άφθονο και έτοιµο προς εκµετάλλευση χωρίς επιπλέον δαπάνες. Το πετρέλαιο για παράδειγµα απαιτεί εξόρυξη, µεταφορά, επεξεργασία κ.τ.λ. 2) Είναι απολύτως ανανεώσιµη, αφού είναι πρακτικά ανεξάντλητη διότι προέρχεται από τον ήλιο. 3) Είναι άφθονη όπως είδαµε. Ο αέρας είναι ανεξάντλητη πηγή. Υπάρχει ικανό αιολικό δυναµικό στον πλανήτη που µπορεί να καλύψει τις ενεργειακές µας ανάγκες κατά 4 φορές περισσότερο. Λιγότερο από 1% του παγκόσµιου αιολικού δυναµικού αξιοποιείται αυτή τη στιγµή [2]. 4) Είναι απολύτως καθαρή µορφή ενέργειας αφού δεν µολύνει το περιβάλλον εποµένως είναι απόλυτα φιλική προς αυτό. 5) Αντίθετα µε τα εργοστάσια µε άνθρακα, πετρέλαιο ή πυρηνικά καύσιµα, τα αιολικά πάρκα δεν αφήνουν κατάλοιπα ή άλλα (επικίνδυνα) παραπροϊόντα. 6) Είναι ασφαλής επένδυση καθώς υπάρχουν τεράστια αποθέµατα και το πιο σηµαντικό, «η πρώτη ύλη» παρέχεται δωρεάν. Εποµένως η απόσβεση του κεφαλαίου είναι δεδοµένη. Όλα αυτά µε την προϋπόθεση ότι η περιοχή εγκατάστασης είναι κατάλληλη. Ειδικά στην Ευρώπη που δεν υπάρχουν πολλά αποθέµατα ορυκτών καυσίµων, υπολογίζεται ότι στο µέλλον το 70% των ενεργειακών αναγκών θα καλύπτεται από εισαγωγές! 7) Οικονοµικά συµφέρουσα εξαιτίας της εξέλιξης της τεχνολογίας χρόνο µε το χρόνο και συνεπώς το κόστος εγκατάστασης αιολικών πάρκων είναι συγκρίσιµο µε αυτό των συµβατικών. 8) Παρέχει αυτονοµία. Στην Ευρώπη τα ήδη εγκατεστηµένα αιολικά πάρκα ικανοποιούν τις ηλεκτρικές ανάγκες πάνω από Ευρωπαίων. Η αυτονοµία που παρέχει είναι τόσο σε εθνικό επίπεδο, εφόσον µειώνονται οι εισαγωγές ηλεκτρικής ισχύος, αλλά και σε ατοµικό επίπεδο αφού ο καθένας µπορεί να εγκαταστήσει στο χώρο µια µικρή ανεµογεννήτρια σε οποιοδήποτε σηµείο κι αν βρίσκεται. 9) Είναι τεχνολογία των τελευταίων ετών υπό εξέλιξη, άρα απορροφά χιλιάδες εργαζόµενους παγκοσµίως και συντελεί στην µείωση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίµων. 13) Προστατεύει κάποια ειδικά κτίρια, όπως εταιρειών τηλεφωνίας κ.α. στα οποία είναι απαραίτητη η παροχή ηλεκτρικής ισχύος ακόµη και όταν το υπόλοιπο κράτος είναι σε ολική διακοπή, από πρόσθετες δαπάνες για αυτονοµία, όπως ντηζελογεννήτριες, οι οποίες εκτός από το κόστος αγοράς και συντήρησης που είναι αρκετά υψηλό απαιτούν συνεχή τροφοδότηση από συµβατικό καύσιµο. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα και υψηλό κόστος λειτουργίας. Η αντικατάσταση αυτών των γεννητριών µε ανεµογεννήτριες είναι οικονοµικά συµφέρουσα και φιλική προς το περιβάλλον. 14) Μπορούν να παράγουν κατόπιν µετατροπής επιθυµητό είδος τάσης Ε.Ρ. (µε ασύγχρονες ή σύγχρονες µηχανές) ή Σ.Ρ. (µε µηχανές Σ.Ρ. µε µόνιµους µαγνήτες) που είναι απαραίτητο για κάποιες ειδικές εφαρµογές. Για παράδειγµα στις εταιρείες σταθερής και κινητής τηλεφωνίας, τα κυκλώµατά των ψηφιακών τους κέντρων διαρρέονται από συνεχές ρεύµα. 15) Έχει µακρόπνοο ορίζοντα. Η αιολική βιοµηχανία γνωρίζει αλµατώδη ανάπτυξη και είναι ακόµα στο ξεκίνηµα. Η αγορά των αιολικών έχει τη δυνατότητα να φτάσει στα σε λιγότερο από επτά (7) χρόνια σύµφωνα µε στοιχεία της EWEA. 16) Μπορεί να χρησιµοποιηθεί και για οικιακή χρήση όσο και για ευρεία. Στην Ευρώπη και µε ελάχιστες εξαιρέσεις παγκοσµίως (Ιαπωνία, Γερµανία, Σουηδία κ.τ.λ.) τα φωτοβολταϊκά συστήµατα χρησιµοποιούνται µόνο σε οικιακές χρήσεις. 17) Λόγω της τεράστιας ανάπτυξης που αναφέρθηκε, προσδίδουν «κύρος» σε αυτόν που λειτουργεί ανεµογεννήτριες ή αιολικά πάρκα γενικότερα, αφού χρησιµοποιεί τεχνολογία αιχµής. 18) Τα αιολικά πάρκα µπορούν να χρησιµοποιηθούν και για τουριστική εκµετάλλευση που µπορεί να οδηγήσει σε άνοδο του βιοτικού επιπέδου των ντόπιων και σε γνωστοποίηση της περιοχής που µέχρι τότε ήταν άγνωστη.

5 4. ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Τα τελευταία χρόνια στην Ελλάδα γίνεται αξιόλογη προσπάθεια για εκµετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Η χώρα µας έχει πλούσιο αιολικό δυναµικό και γι` αυτό παρουσιάζεται µεγάλη άνοδος της εγκατεστηµένης ισχύος από το 2000 και έπειτα. Αυτό µπορεί κάποιος να το διαπιστώσει από στοιχεία της EWEA [5], από όπου φαίνεται ότι Ελλάδα κάνει δειλά βήµατα από το 1996 µε 29MW ενώ το 2000 η ισχύς αυτή 6πλασιάζεται φτάνοντας τα 189MW. Από εκεί και µετά σηµειώνονται επενδύσεις µεγάλου µεγέθους προς αυτή τη µορφή ενέργειας και µέχρι τις αρχές του 2007 η εγκατεστηµένη ισχύς είναι 746MW. Τη στιγµή που γράφεται το παρόν πολλά αιολικά πάρκα στην ελληνική επικράτεια βρίσκονται είτε σε φάση ανέγερσης είτε σε φάση δοκιµαστικής λειτουργίας. Να σηµειωθεί δε ότι υπάρχουν πάρα πολλές προτάσεις για εγκατάσταση αιολικών πάρκων οι οποίες έχουν ήδη εγκριθεί από τη ρυθµιστική αρχή ενέργειας. Όσον αφορά στοιχεία από παραγωγή ενέργειας από αιολική ενέργεια σύµφωνα µε στοιχεία του ιαχειριστή Εθνικού Συστήµατος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (.Ε.Σ.Μ.Η.Ε.) το 2005 παρήχθησαν MW ενώ η πρόβλεψη καθώς και ο στόχος που έχει θέσει το ΥΠ.ΑΝ. είναι το 2010 να παραχθούν MW δηλαδή σχεδόν να τριπλασιαστεί. 5. ΙΑΣΥΝ ΕΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΙΚΤΥΟ ΜΕΣΩ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ύο κύριοι τρόποι διασύνδεσης αιολικών πάρκων µε το δίκτυο µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι είτε µέσω ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος είτε απευθείας. Στην παρούσα ενότητα παρουσιάζεται η πρώτη περίπτωση βασιζόµενη στον τρόπο διασύνδεσης των ανεµογεννητριών γνωστής γερµανικής εταιρείας ανεµογεννητριών. Οι ανεµογεννήτριες που κατασκευάζει η συγκεκριµένη εταιρεία έχουν το χαρακτηριστικό ότι η κάθε ηλεκτρογεννήτρια (σύγχρονη) είναι απευθείας οδηγούµενη (direct-driven) από τον ανεµοκινητήρα. Σύµφωνα µε τις προδιαγραφές της εταιρείας η τάση που παράγει η µηχανή είναι η ονοµαστική (400V) εφόσον ο δροµέας (Α/Κ) περιστρέφεται µέσα στην περιοχή επιτρεπτών ταχυτήτων του και το µόνο µέγεθος που µεταβάλλεται είναι η συχνότητα που παράγει η γεννήτρια. Η ταχύτητα περιστροφής του ανεµοκινητήρα εξαρτάται από την ταχύτητα του αέρα. Η περιοχή λειτουργίας των ανεµοκινητήρων είναι για ταχύτητες ανέµου µεταξύ 4-28m/sec. Συνεπώς για να υπάρχει σύνδεση µε το δίκτυο είναι απαραίτητη η ύπαρξη διπλής γέφυρας µε ηλεκτρονικά ισχύος, ο λεγόµενος ηλεκτρονικός µετατροπέας ισχύος. Ο τελευταίος αναλαµβάνει το ρόλο του συγχρονισµού της σύγχρονης µηχανής µε το ισχυρό δίκτυο αφού φροντίζει να οδηγεί στην έξοδο την τάση που παράγει η σύγχρονη γεννήτρια και να µετατρέπει τη συχνότητά της σε 50Hz που είναι η ονοµαστική τιµή. Όσον αφορά την τάση που παράγει η σύγχρονη γεννήτρια το ύψος εξαρτάται εκτός της ταχύτητας περιστροφής του δροµέα και από τη διέγερσή του, δηλαδή από το µαγνητικό πεδίο. Η διέγερση φροντίζει ώστε η τάση που παράγεται από τη σύγχρονη γεννήτρια να είναι σταθερή. Η ανεµογεννήτρια της εν λόγω εταιρείας συνδέεται µε το δίκτυο µέσω δύο ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος. Ο λόγος ύπαρξης των δύο ηλεκτρονικών µετατροπέων είναι επειδή υπάρχουν 6 φάσεις στη σύγχρονη γεννήτρια. Ο τρόπος σύνδεσης των τυλιγµάτων της σύγχρονης γεννήτριας µε τους ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος και κατόπιν µε το δίκτυο είναι αυτός που φαίνεται στο σχήµα 1.5. Βλέπουµε από το εν λόγω σχήµα ότι τα τυλίγµατα της µηχανής είναι συνδεδεµένα σε αστέρα ανά τρία.

6 Σχήµα 5: Σύνδεση της Σ.Μ. µέσω ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος µε το δίκτυο διανοµής [1]. Στη συνέχεια τα τυλίγµατα συνδέονται µε τον ηλεκτρονικό µετατροπέα ισχύος και καταλήγουν στο µετασχηµατιστή ανύψωσης τάσης. Όσον αφορά την λειτουργία των ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος θα γίνει µια σύντοµη περιγραφή του ενός και τα ίδια ισχύουν και για τον άλλο. Ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ισχύος αυτός είναι Ε.Ρ.-Σ.Ρ.- Ε.Ρ. (AC-DC-AC) ο οποίος όπως φαίνεται και από το σχήµα 1.6 αποτελείται από δύο µέρη, το µετατροπέα Ε.Ρ.-Σ.Ρ. που είναι στη µεριά της µηχανής, και το µετατροπέα που είναι στη µεριά του δικτύου Σ.Ρ.-Ε.Ρ. Ο µετατροπέας στη µεριά της µηχανής είναι ανορθωτής δηλαδή Ε.Ρ.-Σ.Ρ. ο οποίος µετατρέπει την εκάστοτε εναλλασσόµενη τάση που βγάζει η µηχανή σε συνεχή. Η ανόρθωση γίνεται µε διόδους ισχύος όπως φαίνεται στο εν λόγω σχήµα, συνεπώς δεν υπάρχει η δυνατότητα αντιστροφής της φοράς του ρεύµατος. Παρόλ` αυτά αν αυτό χρειαζόταν θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί γέφυρα µε IGBT ή µε αντιπαράλληλες διόδους ισχύος. Στην πλευρά του µετατροπέα στην οποία επικρατεί συνεχής τάση υπάρχουν και κατάλληλοι πυκνωτές οι οποίοι εξοµαλύνουν και διατηρούν σταθερή την τάση. Εν συνεχεία ο µετατροπέας που είναι στην πλευρά του δικτύου είναι γέφυρα µε IGBT η οποία είναι ο αντιστροφέας δηλαδή µετατρέπει µε κατάλληλο κύκλωµα παλµοδότησης τη συνεχή τάση σε εναλλασσόµενη µε χαρακτηριστικά 400V-50Hz. Όσον αφορά την εκκίνηση της σύγχρονής µηχανής αυτή γίνεται µε τη βοήθεια του ανέµου ο οποίος έχει το ρόλο της κινητήριας δύναµης. Εφόσον η ταχύτητα του ανέµου είναι κατάλληλη δηλαδή ίση µε την ταχύτητα σύζευξης τότε ο ανεµοκινητήρας αρχίζει και περιστρέφεται. Εν συνεχεία µε ξεχωριστό κύκλωµα διέγερσης το οποίο όπως φαίνεται στο σχήµα 6 αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό µετατροπέα ισχύος Ε.Ρ.-Σ.Ρ. ο οποίος ανορθώνει την τάση του δικτύου και τη µετατρέπει σε συνεχή η οποία τελικά θα αποτελέσει τη διέγερση του δροµέα. Καθώς η ταχύτητα του ανέµου µεταβάλλεται ο εν λόγω µετατροπέας παρακολουθεί τις αλλαγές στην ταχύτητα του Α/Κ και ρυθµίζει ανάλογα τη διέγερση ώστε η τάση να είναι αυτή που πρέπει. Ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ισχύος δεν παίζει µόνο το ρόλο που είδαµε, αλλά ρυθµίζει και την άεργο ισχύ της γεννήτριας. Σε περίπτωση που στη µεριά του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος που είναι στο δίκτυο παρατηρηθεί µείωση της τάσης τότε θα µειωθεί και η τάση στην περιοχή του µετατροπέα που επικρατεί συνεχής τάση και κατόπιν η τάση της γεννήτριας, οπότε ο µετατροπέας µέσω πολυάριθµων µικροελεγκτών δίνει εντολή στο κύκλωµα διέγερσης να αυξηθεί το ρεύµα διέγερσης στο δροµέα της σύγχρονης µηχανής οπότε αντίστοιχα θα ανεβεί η τάση της γεννήτριας και η συχνότητα και η γεννήτρια θα τροφοδοτήσει τελικά το δίκτυο µε άεργο ισχύ. Έτσι ο µετατροπέας µε τον τρόπο αυτό καθορίζει και τον τρόπο λειτουργίας της σύγχρονης γεννήτριας (χωρητικά ή επαγωγικά) ανάλογα µε τις ανάγκες του δικτύου. Ο µετατροπέας εκτός από το να πραγµατοποιεί όσα αναφέρθηκαν παραπάνω πρέπει να φροντίζει ώστε οι στροφές του ανεµοκινητήρα να είναι κατάλληλες ώστε να επιτυγχάνεται λειτουργία του (ανεµοκινητήρα) στο µέγιστο Cp για κάθε ταχύτητα ανέµου. Συνεπώς απαιτείται να υπάρχουν τέτοιες στροφές του δροµέα ώστε να υπάρχει το λ OPT και το Cp OPT για την αποδοτικότερη λειτουργία της Α/Γ. Αυτό είναι ευθύνη του αντιστροφέα αφού ρυθµίζει την ενεργό ισχύ που στέλνεται στο δίκτυο συνεπώς µε βάση τον τύπο:

7 Σχήµα 6: Σύνδεση ανεµογεννήτριας µε το δίκτυο µέσω ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος [1]. επηρεάζεται ο αριθµός περιστροφής του δροµέα. Ο αναγνώστης πρέπει να λάβει υπόψη του ότι η βέλτιστη ταχύτητα Ω OPT περιστροφής του δροµέα είναι συνάρτηση της ταχύτητας του ανέµου, της ακτίνας του πτερυγίου, της γωνίας pitch και πολλών άλλων παραµέτρων. Ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ισχύος προκειµένου να πετύχει όλα τα παραπάνω πρέπει να επικοινωνεί µε πολλαπλούς µικροελεγκτές και φυσικά µε τον κεντρικό επεξεργαστή της ανεµογεννήτριας ώστε να πετυχαίνει την αποδοτικότερη, συµφέρουσα και ασφαλέστερη λειτουργία της ανεµογεννήτριας. Χρειάζεται να επισηµανθεί ότι η απρόσκοπτη και εύρυθµη λειτουργία µιας ανεµογεννήτριας και ενός αιολικού πάρκου γενικότερα βασίζεται κυρίως στο θέµα του αεροδυναµικού ελέγχου, ελέγχου ηλεκτρικής ισχύος και εσωτερικού ελέγχου κάθε Α/Γ. Στη συνέχεια ο αναγνώστης θα διαπιστώσει την πολυπλοκότητα των συστηµάτων. Άλλωστε ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ισχύος δεν είναι ανεξάρτητος από τα υπόλοιπα µέρη της ανεµογεννήτριας και βρίσκεται σε διαρκή ανταλλαγή δεδοµένων διάφορους µικροελεγκτές. Ο ηλεκτρονικός µετατροπέας επικοινωνεί και µε τον έλεγχο pitch ο οποίος όπως τονίστηκε σε προηγούµενο κεφάλαιο βοηθά στην εκκίνηση του ανεµοκινητήρα και ρυθµίζει την αεροδυναµική ισχύ όταν η ταχύτητα του ανέµου είναι µεγαλύτερη από την ονοµαστική ταχύτητα του δροµέα. Ο έλεγχος pitch επικοινωνεί µε τον ηλεκτρονικό µετατροπέα ισχύος µέσω της κεντρικής µονάδας επεξεργασίας της ανεµογεννήτριας. Γενικά µπορούµε να πούµε ότι η καρδιά όλων των υποσυστηµάτων είναι ο κεντρικός ελεγκτής της ανεµογεννήτριας όπου αν κάτι δεν πάει καλά γίνεται αυτοδιάγνωση και προσπάθεια για διόρθωση του σφάλµατος, ειδάλλως υπάρχει κατάσταση εκτάκτου ανάγκης, δίνει εντολή να σταµατήσει πλήρως η περιστροφή του ανεµοκινητήρα και του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος. Συνεπώς ο αναγνώστης αντιλαµβάνεται ότι η λειτουργία τόσο του ηλεκτρονικού µετατροπέα ισχύος όσο και η γενικότερη λειτουργία της ανεµογεννήτριας είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη διαδικασία που γνωρίζει µόνο η κατασκευάστρια εταιρεία και µόνο αυτή.

8 6. ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΣΥΝ ΕΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΙΚΤΥΟ ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Στην παρούσα ενότητα θα γίνει περιγραφή του τρόπου της κατευθείαν διασύνδεσης ανεµογεννητριών µε το δίκτυο. Η περιγραφή βασίζεται στον τρόπο διασύνδεσης των ανεµογεννητριών γνωστής δανέζικης εταιρείας. Οι ανεµογεννήτριες αυτής της εταιρείας χρησιµοποιούν ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δροµέα. Ο τρόπος σύνδεσης της ανεµογεννήτριας µε το δίκτυο φαίνεται στο σχήµα 7. Σύµφωνα µε αυτό βλέπουµε ότι η ασύγχρονη µηχανή είναι διπλά τροφοδοτούµενη (double-fed). Προς πληροφόρηση αναφέρεται ότι η γεννήτρια έχει ονοµαστικά στοιχεία Un=690V, In=711A, n=1620 σ.α.λ. Από το εν λόγω σχήµα βλέπουµε ότι ο στάτης είναι κατευθείαν συνδεδεµένος µε το δίκτυο ενώ ο δροµέας είναι συνδεδεµένος µε ηλεκτρονικό µετατροπέα ισχύος. Ο τελευταίος αποτελείται από µια διπλή γέφυρα από στοιχεία IGBT. Ο τρόπος λειτουργίας θα εξηγηθεί στη συνέχεια. Το σύστηµα αυτό άρχισε να χρησιµοποιείται ευρέως στα πρόσφατα αιολικά συστήµατα. Το κύριο πλεονέκτηµα αυτού του συστήµατος είναι ότι ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ισχύος διαπερνάται από ένα ποσοστό της ισχύος της τάξης του 20-30% της συνολικής ισχύος και συνεπώς εµφανίζονται λιγότερες απώλειες σε σχέση µε ένα σύστηµα απευθείας οδηγούµενο από τον ανεµοκινητήρα [4]. Σχήµα 7: Κατευθείαν σύνδεση ανεµογεννήτριας µε το δίκτυο [1]. Επίσης το κόστος του ηλεκτρονικού µετατροπέα είναι µικρότερο σε σχέση µε αυτό του µετατροπέα που χρησιµοποιείται σε αιολικά πάρκα όπως αυτό του προηγούµενου κεφαλαίου και λόγω του παραπάνω ισχυρισµού αλλά και επειδή δεν χρειάζεται εξωτερικό κύκλωµα διέγερσης αφού αυτή λαµβάνεται απευθείας από το «δίκτυο». Όπως αναφέρθηκε παραπάνω η ηλεκτρική γεννήτρια είναι δακτυλιοφόρου δροµέα η οποία είναι διπλά τροφοδοτούµενη και φαίνεται στο σχήµα 7. Ως γνωστόν µία µέθοδος µετατόπισης των καµπυλών ροπής-στροφών είναι µέσω διάφορων αντιστάσεων. Ο τρόπος αυτός εκτός του ότι εµφανίζει πολλές απώλειες (ωµικές) δεν έχει και τη δυνατότητα ενεργητικού ελέγχου δηλαδή δεν µπορεί ανά πάσα στιγµή η τιµή της αντίστασης να αλλάζει τόσο λόγω της φύσης της όσο και λόγω έλλειψης επικοινωνίας µε το υπόλοιπο κύκλωµα. Αντίθετα µε τον ηλεκτρονικό µετατροπέα ισχύος Ε.Ρ.-Σ.P.-Ε.Ρ. ο οποίος ουσιαστικά παίζει τον ρόλο των αντιστάσεων, δεν υπάρχουν ωµικές απώλειες και υπάρχει ανά πάσα στιγµή δυνατότητα ρύθµισης σε µεγάλο εύρος και µε ακρίβεια της ροπής εκκίνησης της γεννήτριας µετατοπίζοντας την καµπύλη ροπής-στροφών δεξιά ή αριστερά ανάλογα µε την ταχύτητα του αέρα. Με αυτό τον τρόπο εκτός του ότι υπάρχει η δυνατότητα εκµετάλλευσης ακόµα και των πιο χαµηλών ταχυτήτων αέρα (εφόσον είναι πάνω από την ταχύτητα σύζευξης), και ταυτόχρονα προστατεύεται η ηλεκτρική γεννήτρια από την εµφάνιση υψηλών ρευµάτων κατά την εκκίνηση. Ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ισχύος έχει τη δυνατότητα ανά πάσα στιγµή να επικοινωνεί µε την Κεντρική Μονάδα Ελέγχου της ανεµογεννήτριας και ρυθµίζει τη συµπεριφορά του σύµφωνα µε τις εντολές που λαµβάνει από αυτή (ΚΜΕ). Έτσι ο ηλεκτρονικός µετατροπέας ισχύος αλλάζοντας ουσιαστικά την αντίσταση του δροµέα αλλάζει το µαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της µηχανής και πετυχαίνει τη µετακίνηση της καµπύλης Cp-λ στην επιθυµητή τιµή λopt όπου υπάρχει µέγιστο Cp. Με αυτό τον τρόπο η ανεµογεννήτρια παρακολουθεί τις αλλαγές

9 του ανέµου και προσαρµόζει τη λειτουργία της. Χάρη στον ηλεκτρονικό µετατροπέα ισχύος υπάρχει µεγάλο εύρος ρύθµισης της τάσης και συνεπώς της αέργου ισχύος. Συνοψίζοντας, µπορεί να αναφερθεί ότι οι λόγοι που δικαιολογούν την ευρεία εφαρµογή των ασύγχρονων διπλά τροφοδοτούµενων ηλεκτρικών γεννητριών είναι ότι οι ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος που χρησιµοποιούν εµφανίζουν λιγότερες απώλειες αφού έχουν να διαχειριστούν µικρό µέρος της συνολικής ισχύος 20-30% και το κόστος τους είναι µικρότερο σε σχέση µε τον µετατροπέα που χρησιµοποιείται σε απευθείας οδηγούµενες από τον ανεµοκινητήρα σύγχρονες µηχανές. Βέβαια µε το µετατροπέα που περιγράψαµε στην προηγούµενη ενότητα έχουµε πιο αξιόπιστη λειτουργία της ανεµογεννήτριας αφού αυτός αναλαµβάνει εξ ολοκλήρου τη σύνδεση µε το δίκτυο άρα µπορεί να υπάρχει άµεσος έλεγχος των ηλεκτρικών µεγεθών. 7. ΣΥΝΟΨΗ Στην παρούσα εργασία αναφέρθηκαν τα πλεονεκτήµατα που εµφανίζει η αιολική ενέργεια και παρουσιάστηκαν οι λόγοι για τους οποίους υπάρχει έντονο ερευνητικό και εµπορικό ενδιαφέρον. Εν συνεχεία περιγράφηκε ο τρόπος διασύνδεσης ανεµογεννητριών αιολικών πάρκων µε τη χρήση ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος γεγονός που δείχνει τη σπουδαιότητα της εξέλιξης της τεχνολογίας αυτής. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεµο επειδή είναι τεχνολογία των τελευταίων χρόνων βρίσκεται ακόµη υπό έρευνα. Αναζητούνται τρόποι για κατασκευή γεννητριών οι οποίες θα διεγείρονται από µόνιµους µαγνήτες και για εξέλιξη των ήδη υπαρχόντων. Εκτός αυτού, γίνεται εκτεταµένη έρευνα για βελτίωση των ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος. Ένα εξίσου σηµαντικό θέµα όµως για την αδιάλειπτη και εύρυθµη λειτουργία των αιολικών συστηµάτων συµπεριλαµβανοµένου του τελευταίου είναι η προστασία των ανεµογεννητριών από πλήγµατα κεραυνών σε οποιοδήποτε σηµείο τους. Το θέµα αυτό είναι βαρύνουσας σηµασίας αφού συνήθως τα αιολικά πάρκα εγκαθίστανται σε περιοχές που είναι ευάλωτες σε κεραυνικά πλήγµατα και αποτελεί θέµα το οποίο βρίσκεται σχεδόν σε αρχικό στάδιο έρευνας, συνεπώς χρειάζεται περαιτέρω µελέτη για την εξεύρεση ολοκληρώµενων και αποδοτικών λύσεων αντικεραυνικής θωράκισης. 8. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Σ. Α. Παστρωµάς, ιπλωµατική Εργασία: «Μελέτη συστηµάτων µετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική- Κατευθείαν σύνδεση ανεµογεννητριών µε το δίκτυο και σύνδεση µέσω ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος», Πάτρα, Οκτώβριος [2] Γ. Μπεργελές: «Ανεµοκινητήρες», Εκδόσεις Συµεών, Αθήνα, [3] A. Petersson: Analysis, Modeling and Control of DFIG for WT, Chalmers Department of Technology, Goteborg, Sweden [4] T. Thiringer, A. Petersson: Grid Intergration of Wind Turbines, Swedish-Polish Mption Control and Wind Energy Symposium, Poland, October [5].ΕΣ.Μ.Η.Ε., Προβλέψεις Ζήτησης Ενέργειας και Ισχύος και υνατότητες Κάλυψης της Ζήτησης στο Εθνικό ιασυνδεµένο Σύστηµα Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (Ε ΣΜ) Περίοδος: , Αθήνα, [6] Έλενα Γεωργοπούλου, «Αποτελέσµατα Κλιµατικών Προγνώσεων Υψηλής Ανάλυσης και των Επιπτώσεων τους στην Ελλάδα και στα Βαλκάνια», Συνέντευξη Τύπου , Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών. [7] ικτυακός τόπος EWEA,