Επιστηµονικές και Τεχνολογικές Εξελίξεις ιεθνής Εµπειρία και Πρακτική από την Εφαρµοσµένη Χρήση της Αιολικής και Υδροηλεκτρικής Ενέργειας

Transcript

1 Επιστηµονικές και Τεχνολογικές Εξελίξεις ιεθνής Εµπειρία και Πρακτική από την Εφαρµοσµένη Χρήση της Αιολικής και Υδροηλεκτρικής Ενέργειας ΜΕΡΟΣ Α: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η οικονοµική παραγωγή και χρήση φθηνής ενέργειας από την καύση υδρογονανθράκων, ήταν ένας ανασταλτικός παράγων για µια ευρεία διεπιστηµονική προσπάθεια στην ανάπτυξη της ηλιακής τεχνολογίας. Γεγονός είναι ότι µετά τον Β παγκόσµιο πόλεµο, κυρίως στις ΗΠΑ, άρχισε να εκδηλώνεται ολοένα και περισσότερο το ενδιαφέρον για τη χρήση της ηλιακής ενέργειας. εν πρέπει βέβαια, να ξεχνούµε ότι η παραδοσιακή εφαρµογή της ηλιακής ενέργειας, υπό την ευρεία της αντίληψη είχε ξεκινήσει από πολύ παλιά µε τους γνωστούς σε όλους µας ανεµόµυλους, κυρίως στα νησιά του Αιγαίου (σχήµα1). Ο ανεµόµυλος αυτού του τύπου είχε την ιδιότητα να (περι)στρέφεται, καθώς η κινητή καλύπτρα ήταν κατασκευασµένη έτσι ώστε να µπορεί να κυλίεται επί του κυλινδρικού τοιχώµατος. Έτσι τα πτερύγια λαµβάνουν θέση πάντα ακριβώς απέναντι στο ρεύµα του ανέµου. Σχήµα 1: Παραδοσιακός ανεµόµυλος στην Κύθνο.(2003) Από την αρχή του 20 ου αιώνα, συστηµατικές προσπάθειες στράφηκαν στην σχεδίαση ανάπτυξη και κατασκευή ευρείας χρήσεως ανεµογεννητριών όλο και µεγαλύτερης ισχύος βελτιωµένων τεχνολογικά και οικονοµικά ανταγωνιστικών ως προς τις συµβατικές ενεργειακές πηγές. Ο Πίνακας 1 δίνει το κόστος παραγωγής kwh από διάφορες πήγες (δεδοµένα 2002)

2 Πίνακας 1: Κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από διάφορες πηγές σε ( $cents/kwh) ΑΙΟΛΙΚΗ ΑΝΘΡΑΚΑΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ Το σχήµα 2 δείχνει µια ανεµογεννήτρια του εργαστηρίου των Ήπιων Μορφών Ενέργειας (Η.Μ.Ε.), για την µετατροπή της ισχύος του ανέµου σε ηλεκτρική ισχύ. Εγκατάσταση Ανεµογεννήτρια Whisper 1000: Συχνότητα περιστροφής =850rpm στην ονοµαστική της ισχύ 1kW. ιάµετρος πτερυγίων 2.7m(υλικό Carbon fiberglass). Η ανεµογεννήτρια αυτή αποδίδει ισχύ, όταν η ταχύτητα του ανέµου κυµαίνεται µεταξύ δύο τιµών π.χ. από 3m/s (cut-in velocity) µέχρι 25m/s, όπως δείχνει το σχήµα 3. Η ίδια ανεµογεννήτρια φαίνεται και στο σχήµα 30 Σχήµα 2: Ανεµογεννήτρια Whisper 1000 ισχύος 1 kw, δίπτερη, εγκατεστηµένη στο εργαστήριο των Ήπιων Μορφών Ενέργειας (ΗΜΕ) του ΤΕΙ Πάτρας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται σε συσσωρευτές ώστε να χρησιµοποιηθεί αργότερα σε διάφορες εφαρµογές, όπως ψύξη κλιµατισµός και φορτία φωτισµού. Είναι δε υβριδικά συνδεδεµένη µε PV γεννήτρια ισχύς 2,5 KWp. Τέτοιες εφαρµογές δείχνονται στο Παράρτηµα Ι.

3 Το σχήµα 3 δίδει την καµπύλη ισχύος συναρτήσει της ταχύτητας του ανέµου για µια ανεµογεννήτρια της εταιρείας Vestas Αποδιδόµενη ισχύς (ΚW) από µια ανεµογεννήτρια υ Ταχύτητα του ανέµου, m/s Παρατηρούµε ότι: για 12m/s< υ <25m/s η αποδιδόµενη ισχύς είναι σταθερή ίση µε Ρ=1ΜW, ενώ από 3m/s έως 12m/s η αποδιδόµενη ισχύς µεταβάλλεται ταχύτατα µε την υ. Σχήµα 3: Καµπύλη αποδιδόµενης ισχύος για την ανεµογεννήτρια της εταιρίας Vestas V80 1kW. Το αιολικό δυναµικό στην χώρα µας είναι ιδιαίτερα υψηλό. Μάλιστα όπως διαπιστώνεται από το χάρτη του σχήµατος 4 υπάρχουν περιοχές της χώρας, π.χ. Αιγαίο Πέλαγος, µε µέση ταχύτητα ανέµων, σε ύψος 10m, ανώτερη των 9m/sec Σχήµα 4: Ταχύτητα ανέµων σε m/sec, µετρηµένη 10 µέτρα από το επίπεδο του εδάφους σε διαφορετικές τοπογραφικές συνθήκες ( Πηγή: European Wind Atlas, Troen and Petersen 1989).

4 Η Αιολική Τεχνολογία υπό τη µορφή πρακτικών σχεδίων εκµετάλλευσης της ενέργειας του ανέµου για διάφορες εφαρµογές, ήταν γνωστή από τους αρχαίους χρόνους (άντληση νερού και άλλες µηχανικές εφαρµογές). Μάλιστα, ο τύπος µε κατακόρυφο άξονα περιστροφής είναι αρχαιότερος από αυτόν µε οριζόντιο άξονα (τύπου προπέλας). To σχήµα 10 δείχνει Α/Γ και των δύο αυτών οικογενειών. Σχήµα 5: Στις αρχές του 20 ου αιώνα, οι ανεµόµυλοι χρησιµοποιούνταν συνήθως across the Great Plains για άντληση νερού και παραγωγή ηλεκτρισµού. Σχήµα 6: Αιολικό Πάρκο στην Pamplona της Ισπανίας, µε φόντο ένα παραδοσιακό ανεµόµυλο Σχήµα 7: Παλιός ανεµόµυλος σε εξοχή της Γερµανίας

5 Οι Α/Γ τα τελευταία 10 χρόνια στην Ελλάδα Μέχρι το 1997 υπήρχαν λίγα εγκατεστηµένα Αιολικά Πάρκα στη χώρα µας που η συνολική ισχύ τους ανερχόταν µόλις σε 29 MW, εκ των οποίων τα 24 MW ανήκαν στη ΕΗ, ενώ τα υπόλοιπα αποτελούσαν εφαρµογές ερευνητικών πρ ογρα µ µάτων. Το πρώτο ιδιωτικό αιολικό πάρκο στην Ελλάδα (10,2 MW) κατασκευάστηκε το 1998, στη Σητεία της Κρήτης, µε το οποίο άνοιξε ουσιαστικά ο δρόµος για την ανάπτυξη του κλάδου από ιδιώτες παραγωγούς ηλεκτρικής ενέργειας. Η εγκατεστηµένη ισχύς το 2002 ήταν 276 MW έναντι 3000 MW στην Ευρώπη. Η παραχθείσα το 2002 Η.Ε. ήταν 650*10 6 kwh. Ισοδυναµεί µε κατανάλωση 250,000 νοικοκυριών που αποτελούν το 5% του ΑΙΟΛΙΚΗ πληθυσµού ΕΝΕΡΓΕΙΑ Αποτρέπεται εκποµπή 650,000 τόνων CO 2. Ο Πίνακας 2 δείχνει την εγκαταστηµένη ισχύ Α/Γ στην Ελλάδα για την δεκαετία ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Έτος Εγκατεστηµένη ισχύς Αιολικών (MW) Πίνακας 2: Η εγκατεστηµένη ισχύς ανεµογεννητριών στην Ελλάδα την χρονική περίοδο /04 (Hatziargyriou and Zervos 2001; EWEA 2002; Τσιπουρίδης 2003; Τσιπουρίδης 2004 ) Η αιολική τεχνολογία έχει αποκτήσει έναντι της PV µεγαλύτερη απήχηση, καθώς η αιολική τεχνολογία ήταν συµβατή µε την ήδη χρησιµοποιούµενη, αλλά και η τιµή της kwh είναι συγκρίσιµη µε αυτήν από τις συµβατικές πηγές, όπως δείχνει ο Πίνακας 1.

6 Το επόµενο σχήµα 8, δίδει τον αριθµό των εγκατεστηµένων ανεµογεννητριών καθώς και τις αιτήσεις για ίδρυση νέων αιολικών πάρκων. ίδεται η συνολική εγκατεστηµένη και προβλεπόµενη ισχύ, µε βάση τα δεδοµένα του έτους Σχήµα 8: Συνολική ισχύς σε MW του αριθµού εγκατεστηµένων και προτεινοµένων αιολικών πάρκων σε διάφορες περιοχές της Ελλάδος µε βάση τις νέες διατάξεις (έτος 2000). Πηγή ΕΗ.

7 Τι συµβαίνει στην Ήπειρο: Μέχρι σήµερα δεν υπάρχουν εφαρµογές αιολικής ενέργειας στην Περιφέρεια Ηπείρου. Αυτό οφείλεται κυρίως στην έλλειψη δυνατών ανέµων στην περιοχή. Σύµφωνα µε µετεωρολογικά στοιχεία που φαίνονται στον παρακάτω πίνακα είναι φανερό πως ο αριθµός των ηµερών που υπάρχουν άνεµοι πάνω από 12Km/ώρα είναι µικρός. Ταχύτητες ανέµων (km/h) >26 Άρτα 4,9% 36,1% 58,2% 0,8% Ιωάννινα 65,6% 20,6% 12,4% 1,4% Πρέβεζα 23,6% 22,7% 51,4% 2,3% Παρόλα αυτά υπάρχουν περιοχές στην Ήπειρο όπου τα µετεωρολογικά στοιχεία δίνουν ταχύτητες ανέµων ικανές για να στοιχειοθετηθούν εφαρµογές και πιστεύουµε ότι θα υπάρξουν µερικές πολύ σύντοµα. Στους µελλοντικούς τοµείς δράσης του Περιφερειακού Ενεργειακού Κέντρου Ηπείρου εντάσσεται και η λεπτοµερής αξιολόγηση του αιολικού δυναµικού στις παράκτιες περιοχές της Περιφέρειας.

8 ιάφορα Πάρκα Α/Γ σε Λειτουργία

9 Στο τέλος του 1999 η εγκατεστηµένη στην Ευρώπη ισχύς Α/Γ έφθασε στο ύψος των 10 GW. Αναλυτικά δεδοµένα βλέπουµε στον Πίνακα 3, που ακολουθεί. Σχήµα 9: Αιολικό ιδιωτικό πάρκο στην Νότια Εύβοια (Κάρυστος) κατασκευασµένο από την Ρόκας Α.Β.Ε.Ε. ισχύος 24 MW. Πίνακας 3: Εγκατεστηµένη ισχύς αιολικής ενέργειας στην Ευρώπη µέχρι την 31 η εκεµβρίου 1999 (MW) Γερµανία 3899 MW Ελλάδα 79 MW Ιταλία 227 MW Ιρλανδία 73 MW Ολλανδία 406 MW Πορτογαλία 60 MW Ισπανία 1131 MW Σουηδία 197 MW Μεγ.Βρετανία 351 MW ανία 1761 MW Γαλλία 23 MW Άλλες χώρες 142 MW Σύνολο 8349 MW

10 Μία σύντοµη εικόνα σύγχρονων Α/Γ Σχήµα 10: Μερικές από τις ανεµογεννήτριες που προτάθηκαν και σχεδιάστηκαν για την µετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική (πηγή: Eldridge, 1975). Περισσότερες πληροφορίες για τις ανεµογεννήτριες αυτές βλ. Eldridge,(1975) και Golding, ( 1955).

11 Τα σχήµατα 11 και 12 δείχνουν πτερύγια ανεµογεννητριών. Το µήκος τους είναι π.χ. 7-27m και καλύπτουν τις ανάγκες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από 50 kw έως και 1.2MW. Συγκρίνετε τις τιµές µε αυτές των Α/Γ του σχήµατος 2, ώστε να καταδειχθεί η κυριαρχική τάση της κατασκευής λόγω και µεγαλύτερων Α/Γ. Σχήµα 11: Πτερύγια από ανεµογεννήτρια µήκους 24 µέτρων κατασκευασµένα από fibre-glass ενισχυµένο µε πολυεστέρα Σχήµα 12: Μοντέλο πτερυγίου για τον υπολογισµό τάσεων και παραµορφώσεων χρησιµοποιώντας εξελιγµένους κώδικες πεπερασµένων στοιχείων Η ανάπτυξη νέων υλικών π.χ. δοµικά πλαστικά όπως είναι ο πολυεστέρας ο ενισχυµένος από ίνες γυαλιού, τα ανθρακονήµατα Kevlar κ.λ.π. έχει φέρει πραγµατικές καινοτοµίες στην αιολική τεχνολογία. Τα σχήµατα 13, 14 και 15 δείχνουν την δοµή της κεντρικής µονάδας µιας Α/Γ µε ταχύτητα αποκοπής 3 m/sec κατώτερο όριο και 25 m/sec ανώτερο όριο, ενώ η ονοµαστική της ισχύς, όπως µετρήθηκε στα 14 m/sec, είναι 900 kw. Τούτα τα δεδοµένα εύκολα διακρίνονται στο σχήµα 16.

12 Σχήµα 13:Γενική άποψη µιας ανεµογεννήτριας. Σχήµα 14: Ενδεικτικό µέγεθος µιας ανεµογεννήτριας σε σχέση µε τον άνθρωπο. Όλα τα µέρη που συνιστούν την Α/Γ παρουσιάζονται στο σχήµα 15. Σχήµα 15: Αναλυτική παράσταση των µερών µιας Α/Γ.

13 Ειδικότερα, α. ο κινητήρας περιλαµβάνει 3 πτερύγια διαµέτρου 57 m. Η ταχύτητα περιστροφής κυµαίνεται µεταξύ 15 και 25 rpm (στροφές ανά λεπτό) και το ύψος του πυλώνα φθάνει τα 60 έως 70m. β. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι 3 βηµάτων πλανητικού τύπου, και η γεννήτρια είναι ασύγχρονου τύπου. γ. Ακόµη το κύκλωµα ελέγχου αποτελείται από ένα διαµορφωτή πλάτους παλµών (pulse width modulator) για τον έλεγχο της συχνότητας και σύστηµα µε P.L.C.(programmable logic control). δ. Το σύστηµα πέδησης µπορεί να είναι είτε ηλεκτροµαγνητικό και εφαρµόζεται σε κάθε πτερύγιο, είτε υδραυλικό. ε. Τέλος, περιλαµβάνει σύστηµα ασφαλείας και ελαχιστοποίησης του θορύβου. Στο σχήµα 16 δίδεται η ισχύς εξόδου συναρτήσει της ταχύτητας του ανέµου για µια ανεµογεννήτρια µε κατώτατο όριο ταχύτητας ανέµου, υ i = 3 m/sec και άνω όριο υ o =14 m/sec. Σχήµα 16: Μεταβολή της ισχύος εξόδου συναρτήσει της ταχύτητας του ανέµου για την ανεµογεννήτρια µε κατώτατο όριο τα 3 m/sec και άνω όριο τα 14 m/sec.

14 Τα σχήµατα 17, 18 και 19 δείχνονται αναλυτικότερα τη δοµή της κεντρικής µονάδας της Α/Γ µε τα πτερύγια, του Κ.Τ. της γεννήτριας και του µηχανισµού παραλληλισµού µε την ταχύτητα του ανέµου (µηχανισµός yaw, σχήµατα 18 και 19) Σχήµα 17 Σχήµα 18 Σχήµα 19

15 Ειδικότερα: 1. Τα πτερύγια µετατρέπουν την Κ.Ε. του ανέµου σε περιστροφική, στρέφοντας έναν άξονα, που είναι συνδεδεµένος, µέσω ενός Κιβώτιου Ταχυτήτων (Κ.Τ) συνήθως µε µιαν ηλεκτρική γεννήτρια. Σε άλλα συστήµατα Α/Γ δεν υπάρχει Κ.Τ. όπως δείχνεται στο Παράρτηµα ΙΙ. Οι Α/Γ αυτού του τύπου λειτουργούν µε µεταβαλλόµενη ταχύτητα. 2. Πολλές Α/Γ χρησιµοποιούν µονή ηλεκτρογεννήτρια που στρέφεται µε µια σταθερή ταχύτητα. Άλλες, όπως αυτή του αγροκτήµατος Wood Green Animal Shelter, στο Huntingdon της Βρετανία (τύπου Vesta V 27/225 kw) χρησιµοποιεί ηλεκτρογεννήτρια που στην πράξη είναι 2 γεννήτριες : α. Η µια λειτουργεί στα 50 kw και σε µικρές υ a, διαφορετικά το υ i θα ήταν υψηλό και δεν θα µετατρεπόταν σε Η.Ε. άνεµος χαµηλής ταχύτητας, και β. µία στα 225 kw Η γεννήτρια αυτού του τύπου βελτιώνει την ενεργειακή απόδοση της Α/Γ αυτού του τύπου, καθώς λειτουργεί αποδοτικά και σε χαµηλές ταχύτητες. Το παρακάτω σχήµα, 20, δείχνει παραστατικά την Α/Γ V 27/225 kw και ο Πίνακας 4 δίνει τα χαρακτηριστικά της. Σχήµα 20

16 Πίνακας 4 Για να βελτιωθούν οι διακυµάνσεις ισχύος και ο ακουστικός θόρυβος, έχουν σχεδιασθεί και κατασκευασθεί Α/Γ µεταβλητής ταχύτητας. Α. Χαρακτηριστικά 1. ιακυµάνσεις χαµηλής ισχύος P, καθώς και διακυµάνσεις τάσεως V, επειδή ή υ α µεταβάλλεται µε κατανοµή πιθανότητας κατά Weibull όπως αναλύεται στο αµέσως επόµενο κεφάλαιο, ειδικότερα βλ. Παράρτηµα (10.10) (Θεωρητική Ανάλυση Αιολικού υναµικού) στο τέλος του βιβλίου. Η ισχύς P και η τάση V µεταβάλλονται αντίστοιχα. Για το λόγο αυτό κατασκευάσθηκαν Α/Γ χωρίς Κ.Τ. που λειτουργούν και µε µεταβλητή ταχύτητα, παράγοντας µικρότερου εύρους ταλαντώσεις ισχύος ή τάσεως. 2. Ακουστικός θόρυβος Μείωση λόγω έλλειψης κιβωτίου ταχυτήτων και ειδικών µονώσεων. 3. Υψηλή Απόδοση Η βέλτιστη ταχύτητα περιστροφής µεταβάλλεται λόγω της µεταβολής της µεταβολής της ταχύτητας του ανέµου. Η νέου τύπου Α/Γ που λειτουργεί µε µεταβλητή ταχύτητα, διατηρεί εύκολα την βέλτιστη τιµή της ταχύτητας περιστροφής της, βελτιώνοντας την απόδοση.

17 4. Εύκολη Συντήρηση Καθώς δεν χρειάζεται αλλαγή λαδιών στο Κ.Τ. 5. Η γεννήτρια είναι τύπου µόνιµου µαγνήτη. Άρα απλούστερης δοµής και υψηλής απόδοσης. B. Σύγκριση µεταξύ τυπικής Α/Γ και αυτής χωρίς Κ.Τ. Τις κεντρικές διαφορές βλέπουµε στο σχήµα 21. Σχήµα 21: