Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Σπουδαστής: Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σπουδαστής: Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Κόγια Γρ. Φωτεινή Καβάλα Οκτώβριος 2008

2

3 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σπουδαστής: Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Κόγια Γρ. Φωτεινή Καβάλα Οκτώβριος 2008

4 Αφιερώνεται στους πολυαγαπημένους μου γονείς και αδέρφια

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εργασία αυτή αποτελεί την Πτυχιακή μου Εργασία στα πλαίσια των σπουδών μου στο Τμήμα Μηχανολογίας του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η εκπόνησή της ξεκίνησε το Μάιο του 2008 και ολοκληρώθηκε τον Οκτώβρη του 2008, υπό την επίβλεψη της Καθηγήτριας κας Κόγια Γρ. Φωτεινής, Καθηγήτριας Εφαρμογών του Τομέα Φυσικής, του Γενικού Τμήματος Θετικών Επιστημών, της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών, του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η παρούσα εργασία, είχε ως σκοπό τη μελέτη των ενεργειακών νησιών. Ο τελικός στόχος αυτής ήταν η συγκέντρωση στοιχείων, η διατύπωση παρατηρήσεων και η εξαγωγή συμπερασμάτων τα οποία πιθανό να φανούν χρήσιμα στη μελλοντική ευρεία αξιοποίηση των ενεργειακών νησιών. Αισθάνομαι την υποχρέωση να ευχαριστήσω θερμά την Καθηγήτρια κα Κόγια Φωτεινή, τόσο για την ανάθεση του θέματος, όσο και για το αμείωτο ενδιαφέρον και την προθυμία της στην εξεύρεση πληροφοριών, για τις εύστοχες υποδείξεις σχετικά με τον τρόπο χειρισμού του θέματος, καθώς επίσης και για την αμέριστη βοήθεια, καθοδήγηση και συμπαράσταση που μου παρείχε όλο αυτό το διάστημα. Η συμβολή της στην πραγματοποίηση αυτής της εργασίας ήταν καθοριστική. Ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μου και στα δύο μου αδέρφια, για την εμπιστοσύνη τους στις δυνάμεις μου, για τη συνεχή συμπαράσταση και υποστήριξη που είχα από μέρους τους καθώς και για την υπομονή και κατανόηση που μου έδειξαν ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Τελειώνοντας, θα ήταν παράλειψή μου να μην αναφερθώ στους καθηγητές και στους συμφοιτητές μου, για την προθυμία με την οποία μου παρείχαν τη βοήθειά τους, όποτε τη χρειάστηκα, καθώς επίσης και σε όλους αυτούς που ανήκουν στο φιλικό μου περιβάλλον, οι οποίοι μου συμπαραστάθηκαν και με ενθάρρυναν κατά την προσπάθεια πραγματοποίησης των στόχων μου. Καβάλα, Οκτώβριος 2008

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 3.1 ΓΕΝΙΚΑ ΤΕΧΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΤΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΕΙΔΗ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΚΙΝΗΣΗ ΑΝΕΜΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΤΥΠΙΚΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ ΑΞΟΝΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Α/Γ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ ΑΞΟΝΑ ΔΡΟΜΕΑΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΟΥ ΒΗΜΑΤΟΣ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΝΤΟΧΗΣ ΤΩΝ ΠΤΕΡΥΓΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΠΥΡΓΟΥ ΚΑΙ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ ΤΟΥ ΠΛΗΜΝΗ ΚΑΙ ΚΥΡΙΟΣ ΑΞΟΝΑΣ ΤΗΣ Α/Γ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΕΔΗΣΗΣ ΤΗΣ ΠΛΗΜΝΗΣ ΚΙΒΩΤΙΟ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ ΣΤΡΟΦΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΙΚΡΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΥΤΟΜΑΤΟΙ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 29

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ (TIDAL STREAM) ΟΙ ΣΤΡΟΒΙΛΟΙ ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 5.1 ΓΕΝΙΚΑ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ ΟΙ ΚΥΜΑΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 6.1 ΓΕΝΙΚΑ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙAΣ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΤΗΣ 40 ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 6.3 ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ 40 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ, ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ & 43 ΛΟΙΠΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 6.4 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΕΣ ΜΕ ΤΗ ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΠΑΝΕΛ ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 45

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΩΚΕΑΝΙΑΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 7.1 ΓΕΝΙΚΑ ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ OTEC Η OTEC ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΛΥΣΕΙΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ OTEC 52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 8.1 ΦΥΤΟΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ - ΙΧΘΥΟΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ 53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 60

9 Πως θα λειτουργεί ένα Ενεργειακό Νησί

10

11 Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Με το ρυθμό της ολοένα και αυξανόμενης κατανάλωσης ενέργειας στον πλανήτη, οι πόροι, όπως οι ορυκτές καύσιμες ύλες από τις οποίες χρησιμοποιούμε το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας, έχουν αρχίσει να εξαντλούνται, γεγονός το οποίο οδηγεί αναπόφευκτα σε αύξηση των τιμών και προβλήματα τα οποία δύσκολα επιλύονται. Ο Δυτικός κόσμος με την ολοένα αυξανόμενη απαίτηση για ενέργεια, «αποστραγγίζει» σταδιακά τον πλανήτη και το μέλλον δυστυχώς, δε φαίνεται ρόδινο. Η μόνη λύση λοιπόν είναι η στροφή του ανθρώπου προς πηγές ενέργειας, οι οποίες είναι (όπως τις χαρακτηρίζουμε) ανανεώσιμες. Ηλιακή ενέργεια, αιολική, ενέργεια από τα κύματα της θάλασσας, γεωθερμική κ.τ.λ. Οι πράσινες αυτές πηγές ενέργειας, ακόμα και τώρα, παραμένουν σε μεγάλο ποσοστό ανεκμετάλλευτες, αν και η τεχνολογία γύρω από αυτές τα τελευταία χρόνια έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο και μάλιστα προς πηγές ενέργειας τις οποίες δεν είχαμε ιδέα πως να εκμεταλλευτούμε παλαιότερα. Έτσι προέκυψε η ιδέα των τεχνητών νησιών παραγωγής ενέργειας. Ο αρχιτέκτονας Dominic Michaelis, ο γιος του Alex Michaelis, και ο Trevor Cooper-Chadwick, ανέπτυξαν μια ιδέα για τη συγκέντρωση διαφόρων τρόπων εκμετάλλευσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε ένα τεχνητό νησί το οποίο θα λειτουργεί αυτόνομα και θα μπορεί να παράγει μέχρι και 250MW ενέργειας. Η τεχνική αυτή ονομάστηκε OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) και συνίσταται στην εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, της αιολικής αλλά και της ενέργειας που είναι αποθηκευμένη στα νερά του ωκεανού με τη μορφή της διαφοράς θερμοκρασίας. Σε μερικά σημεία του ωκεανού, η διαφορά της θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας της θάλασσας και του νερού που βρίσκεται στο βάθος, είναι μέχρι και 20 βαθμοί Κελσίου (περίπου 29 βαθμοί στην επιφάνεια και περίπου 5 βαθμοί σε μεγάλο βάθος). Αυτή τη διαφορά θερμοκρασίας εκμεταλλεύεται το σύστημα. Σε γενικές γραμμές το σύστημα δουλεύει ως εξής: Το θερμό νερό από την επιφάνεια της θάλασσας χρησιμοποιείται για να θερμάνει μια ποσότητα υγρής αμμωνίας που βρίσκεται σε ένα κλειστό δοχείο. Η αμμωνία μετατρέπεται σε αέριο και «διογκώνεται», κινώντας μια γεννήτρια η οποία αρχίζει να παράγει ρεύμα. Στη συνέχεια Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 1

12 Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή το ψυχρό νερό από τα βάθη της θάλασσας χρησιμοποιείται για να ψύξει την αμμωνία ξανά, και ο κύκλος επαναλαμβάνεται. Με τον τρόπο, αυτό τα τεχνητά νησιά, τα οποία θα έχουν σχήμα εξαγώνου (για να μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους σαν κυψέλες ) θα παράγουν ενέργεια από αέρα, ήλιο και θάλασσα. Έχει υπολογιστεί ότι περίπου πενήντα χιλιάδες (50000) τέτοια νησιά θα μπορούσαν να καλύψουν τις ανάγκες του πλανήτη σε ενέργεια, ενώ συν τοις άλλοις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και ως μονάδες αφαλάτωσης, αφού το παραπροϊόν της όλης διαδικασίας είναι αφαλατωμένο νερό (πόσιμο). Το εγχείρημα θα τεθεί σε εφαρμογή αργότερα μέσα στο χρόνο 2008, από την Εταιρία Virgin Earth Challenge. Το όλο εγχείρημα, εκτός του ότι φαίνεται εφικτό, αφού η τεχνολογία για την υλοποίησή του υπάρχει ήδη, φαίνεται να έχει λαμπρό μέλλον αφού μπορεί να αποτελέσει την απάντηση για το ενεργειακό πρόβλημα στο μέλλον. Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 2

13 Κεφάλαιο 2 ο : Γενική Περιγραφή ενός Ενεργειακού Νησιού ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΕΝΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΝΗΣΙΟΥ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Στις αρχές του 1950, ο αντιπλοίαρχος Philippe Tailliez, του Γαλλικού ναυτικού, στενός συνεργάτης του αντιπλοίαρχου Jacques Cousteau, παρουσίασε μια μελέτη για ένα «Επιπλέον Νησί» ( Floating Island ή Ile Flottante ). Σχήμα 2.1 Ενεργειακό Νησί Οι σταθμοί ισχύος της OTEC προτείνουν τη δημιουργία τέτοιων νησιών, κυρίως για παραγωγή ισχύος, αλλά με δυνατότητα επίσης πολλών άλλων συμπληρωματικών εφαρμογών όπως ακριβώς είναι η ιδέα του Ενεργειακού Νησιού. Ένα από τα κυριότερα προβλήματα που αντιμετώπισαν οι περισσότερες μελέτες της OTEC, είναι η σχετικά χαμηλή θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ των βαθύτερων υδάτων των 5 ο C και των τροπικών επιφανειακών νερών με περίπου 25 ο C, περιορίζοντας τη θερμοδυναμική αποδοτικότητα της εγκατάστασης μετατροπής. Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 3

14 Κεφάλαιο 2 ο : Γενική Περιγραφή ενός Ενεργειακού Νησιού Το Ενεργειακό Νησί σχεδιάστηκε αρχικά για τροπικά νερά, όμως μπορούν επίσης να εξεταστούν παραλλαγές για μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη. Σχήμα 2.2 Περιοχές της Υδρογείου όπου η OTEC θα μπορούσε να δουλέψει καλά Σχήμα 2.3 Αρχικό σχέδιο Ενεργειακού Νησιού Το βασικό νησί θα μπορούσε να είναι εξαγωνικού σχεδιασμού, έτσι ώστε να μπορεί να συνδέεται εύκολα με άλλες μονάδες για το σχηματισμό γραμμικών συστοιχιών Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 4

15 Κεφάλαιο 2 ο : Γενική Περιγραφή ενός Ενεργειακού Νησιού όπου απαιτείται. Ένα εξάγωνο που αποτελείται από έξι ισόπλευρα τρίγωνα μήκους πλευρών 300m θα έχει μέγιστη εγκάρσια απόσταση 600m και ελάχιστη εγκάρσια απόσταση 520m. Το εμβαδόν της επιφάνειας του θα είναι m 2 ή είκοσι τρία κόμμα τέσσερα (23,4) εκτάρια. Το μέγεθός του θα είναι εγγύηση για τη σταθερότητά του σε άγριες θάλασσες. Με τον τρόπο αυτό τα τεχνητά νησιά τα οποία θα παράγουν ενέργεια από αέρα, ήλιο και θάλασσα. Έχει υπολογιστεί ότι περίπου πενήντα χιλιάδες (50000) τέτοια νησιά θα μπορούσαν να καλύψουν τις ανάγκες του πλανήτη σε ενέργεια, ενώ συν τοις άλλοις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και σα μονάδες αφαλάτωσης, εφόσον το παραπροϊόν της όλης διαδικασίας είναι αφαλατωμένο (πόσιμο) νερό. Σχήμα 2.3 Σχέδιο Ενεργειακού Νησιού Η ιδέα λοιπόν είναι να κατασκευαστούν αρχιπελάγη από θαλάσσιες πλατφόρμες, στις περιοχές εκείνες του Ισημερινού, όπου η θερμοκρασία στην επιφάνεια της θάλασσας με εκείνη στα βάθη της έχει τη μεγαλύτερη διαφορά. Καθεμιά από αυτές τις πλατφόρμες - νησίδες θα είναι εξοπλισμένη με ανεμογεννήτριες και ηλιακούς συλλέκτες, καθώς και με την τεχνολογία που είναι απαραίτητη για την τεχνική ΟΤΕC και θα μπορεί να παράγει, όπως προαναφέρθηκε, 250MW. Το γλυκό νερό, το οποίο θα είναι παραπροϊόν της διαδικασίας της ΟΤΕC, θα αντιστοιχεί σε δύο τόνους την ημέρα για κάθε κάτοικο του πλανήτη. Σε καθεμιά από αυτές τις ενεργειακές αποικίες θα υπάρχουν σπίτια και αγροτικές καλλιέργειες για είκοσι πέντε (25) τεχνικούς, ενώ θα μπορούν να προσεγγίζουν τεράστια Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 5

16 Κεφάλαιο 2 ο : Γενική Περιγραφή ενός Ενεργειακού Νησιού δεξαμενόπλοια (supertankers), όπως και στις πετρελαϊκές πλατφόρμες, για να μεταφέρουν πόσιμο νερό όπου υπάρχει ανάγκη.το ενεργειακό νησί θα δράσει σα μια πλατφόρμα μεγιστοποίησης της συλλογής και της μετατροπής της ανανεώσιμης ενέργειας των ποικίλων πηγών (Κεφάλαια 3, 4, 5 και 6). Εικόνα 2.1 Το τεράστιο δεξαμενόπλοιο AbQaiq Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 6

17 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Η αιολική ενέργεια είναι από τις πλέον γνωστές και τις πλέον παλαιότερα χρησιμοποιούμενες μορφές ενέργειας. Η τεχνολογία των ανεμομύλων, με τη βοήθεια των οποίων η ενέργεια του ανέμου μετατρεπόταν σε μηχανική ενέργεια, ήταν αρκετά γνωστή από αιώνες. Είναι ακόμα γνωστό ότι οι αρχαίοι Έλληνες ανέπτυξαν τους πολιτισμούς τους βασισμένοι στη δύναμη του ανέμου, ο οποίος κινούσε τα πλοία με τα οποία έκαναν το εμπόριο στον τότε γνωστό κόσμο. Σήμερα, στη γενική τους μορφή, οι ανεμοκινητήρες μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε άλλες πιο χρήσιμες μορφές ενέργειας, όπως θερμική, ηλεκτρική και μηχανική. Εικόνα 3.1 Πετρελαιοφόρο με αεροδυναμικά ιστία Ο άνεμος όμως, είναι μια ανεξέλεγκτη και χρονικά μεταβαλλόμενη σε όλες της τις παραμέτρους πηγή ενέργειας. Η δέσμευση και χρησιμοποίηση της ενέργειας αυτής, είναι ως εκ τούτου, μια πολύ δαπανηρή διαδικασία. Η σχεδίαση και η κατασκευή μιας Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 7

18 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά αποδοτικής και παράλληλα οικονομικής ανεμομηχανής δεν είναι εύκολη δουλειά. Παρόλα αυτά, οι σύγχρονες ανεμομηχανές (που η επιστημονική ονομασία τους είναι «συστήματα μετατροπής» της αιολικής ενέργειας, ή πιο απλά «ανεμοκινητήρες», ή όταν παράγουν ηλεκτρική ενέργεια «ανεμογεννήτριες»), χρησιμοποιώντας τα πρόσφατα επιτεύγματα στην τεχνολογία των υλικών, στη μηχανολογία, στην ηλεκτρονική και στην αεροδυναμική, έχουν ανεβάσει σε υψηλά επίπεδα την απόδοσή τους, μειώνοντας συνεχώς το κόστος της παραγόμενης ενέργειας. Η μελέτη ενός συστήματος ανεμογεννήτριας (Α/Γ), περιλαμβάνει την αεροδυναμική σχεδίαση και τη μελέτη εφαρμογής, στην οποία περιλαμβάνονται η μηχανολογική μελέτη και σχεδίαση, η μελέτη του ηλεκτρολογικού συστήματος και τα ηλεκτρολογικά συστήματα ελέγχου και ασφαλείας. Η αεροδυναμική σχεδίαση αποτελεί προϋπόθεση για το σχεδιασμό ενός συστήματος δέσμευσης και μετατροπής της ενέργειας του ανέμου, ενώ η ηλεκτρομηχανολογική μελέτη είναι το αμέσως επόμενο και αναγκαίο στάδιο για την υλοποίηση ενός τέτοιου συστήματος, κατά τον αποδοτικότερο και πλέον συμφέροντα τεχνοοικονομικό τρόπο. Εικόνα 3.2 Δύο μοντέρνα σχέδια ανεμόμυλων Η πρώτη μεγάλη ανεμογεννήτρια, γνωστή ως Smith - Putman σχεδιάσθηκε και εγκαταστάθηκε στις ΗΠΑ. Η σχεδίασή της άρχισε στα τέλη της δεκαετίας του 30 και οι Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 8

19 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά δοκιμές της έγιναν στις αρχές της δεκαετίας του 40. Η ισχύς της ήταν 1250kW και είχε δύο πτερύγια από χάλυβα με διάμετρο περιστροφής 53m, τοποθετημένα σε έναν πύργο ύψους 33,5m. Το σύγχρονο ενδιαφέρον, με κρατική χρηματοδότηση, άρχισε στις ΗΠΑ το Το πρόγραμμα της πρώτης μεγάλης Α/Γ, με τον κωδικό Mod-0, ανατέθηκε στη ΝΑSΑ και περιλάμβανε τη σχεδίαση, κατασκευή και δοκιμή μιας Α/Γ ισχύος 100kW με διάμετρο δρομέα 38m. Σκοπός του προγράμματος αυτού ήταν η εξαγωγή πληροφοριών και συμπερασμάτων για την εκπόνηση ενός ευρύτερου προγράμματος αιολικής ενέργειας. Στην Ευρώπη, την πρωτοπορία στην αγορά των ανεμογεννητριών την κατέχει η Δανία. Άλλες χώρες με ανεπτυγμένο τον κλάδο σχεδίασης και κατασκευής Α/Γ, είναι η Ολλανδία, η Βρετανία, το Βέλγιο και πρόσφατα η Ιταλία και η Ισπανία. Εικόνα 3.3 Ανεμογεννήτρια Στη χώρα μας έγινε μια προσπάθεια από την Ελληνική Αεροπορική Βιομηχανία, πριν από μερικά χρόνια, για τη μερική κατασκευή και συναρμολόγηση ανεμογεννητριών Βρετανικής σχεδίασης. Για διάφορους λόγους, που έχουν σχέση με τη Βρετανική εταιρία, η προσπάθεια δεν παρουσίασε τα αναμενόμενα αποτελέσματα. Η απόφαση όμως της Δ.Ε.Η, να εκμεταλλευτεί σε σημαντικό βαθμό την αιολική ενέργεια και η αναμενόμενη απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας, δημιουργούν τις πολύ καλές προοπτικές στην αγορά των ανεμογεννητριών. Εάν δε, ληφθεί υπόψη ότι οι περισσότερες εταιρίες της παγκόσμιας Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 9

20 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά αγοράς σχεδιάζουν τις κατασκευές τους με βάση τυποποιημένα εξαρτήματα και συστήματα, είναι φανερό ότι και η Ελλάδα μπορεί, τουλάχιστον στην εσωτερική αγορά, να συμπεριλάβει και εγχώριες κατασκευές. 3.2 ΤΕΧΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΤΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Ο ανεμοκινητήρας, από την εποχή της εμφάνισής του μέχρι σήμερα, έχει περάσει από πολλά στάδια εξέλιξης, τόσο ως προς τον τύπο του (οριζοντίου ή κάθετου άξονα) όσο και ως προς τα υποσυστήματά του (πτερύγια, κιβώτιο ταχυτήτων, πύργος, αυτοματισμοί, γεννήτρια κ.ά.). Εξελίξεις έχουν επίσης σημειωθεί και στον τρόπο δέσμευσης, αξιοποίησης, αποθήκευσης ή μεταφοράς της ενέργειας του ανέμου που μετατρέπεται από την Α/Γ σε άλλη μορφή ενέργειας. Μια εικόνα των βασικών μερών που αποτελούν μια διάταξη εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας καθώς και της ροής ενέργειας παρουσιάζεται στο σχήμα 3.1. Σχήμα 3.1 Σχηματική παράσταση εγκατάστασης εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας Η διάταξη αυτή, είναι μια γενική περίπτωση όπου η κινητική ενέργεια του ανέμου μετατρέπεται σε μηχανικό έργο με τη βοήθεια αεροδυναμικής διάταξης (π.χ. μιας έλικας). Αυτό το μηχανικό έργο, μπορεί να είναι εκμεταλλεύσιμο επί τόπου ή να χρειαστεί να μετατραπεί σε μια άλλη μορφή ενέργειας και να μεταφερθεί στον τόπο της ζήτησης. Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 10

21 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά Παραδείγματα εκμετάλλευσης της παραγόμενης ενέργειας επί τόπου είναι αυτό της παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση του νερού που μπορεί να αποθηκευτεί, μεταφερθεί και να καεί ως αέριο καύσιμο με μηδαμινή επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Στη δεύτερη, που είναι και πιο ευρέως διαδεδομένη, είναι αυτή της μετατροπής της μηχανικής ενέργειας, σε ηλεκτρική ενέργεια, λόγω της εύκολης μεταφοράς αλλά και της δυνατότητας που έχει να μετατρέπεται σε οποιαδήποτε άλλη μορφή θέλουμε. Βέβαια οι μεγάλες διακυμάνσεις της ενέργειας του ανέμου με το χρόνο, πολλές φορές έχουν χρονική ασυμφωνία με τη ζήτηση ενέργειας με αποτέλεσμα την αναγκαιότητα της αποθήκευσης της ενέργειας για τις χρονικές στιγμές στις οποίες η ισχύς του ανέμου πέφτει κάτω από ένα όριο. Έτσι ο βέλτιστος σχεδιασμός ενός συστήματος εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας πρέπει να περιλαμβάνει: α) Μελέτη των χαρακτηριστικών του ανέμου, με σκοπό την εκλογή της βέλτιστης τοποθεσίας για την εγκατάσταση της Α/Γ και την πιθανή παραγωγή ενέργειας. β) Σχεδιασμό της αεροδυναμικής διάταξης που να μετατρέπει, κατά τον αποδοτικότερο τρόπο, την κινητική ενέργεια του ανέμου σε μηχανικό έργο. γ) Μελέτη της περίπτωσης μετατροπής του μηχανικού έργου σε άλλη πιο συμφέρουσα μορφή ενέργειας και βέλτιστο σχεδιασμό του συστήματος μετατροπής του μηχανικού έργου του δρομέα. δ) Εύρεση του καλύτερου τρόπου αξιοποίησης των διακυμάνσεων της ενέργειας του ανέμου. ε) Μελέτη του βέλτιστου τρόπου μεταφοράς, αν απαιτείται. στ) Διερεύνηση της καλύτερης προσαρμογής της μεταβαλλόμενης παραγωγής ενέργειας του συστήματος προς την κατανάλωση. Όλα τα παραπάνω για να είναι εφικτά θα πρέπει το τελικό προϊόν, που θα διατεθεί στην αγορά κατανάλωσης, πάνω από όλα να είναι οικονομικά ανταγωνίσιμο, έναντι των άλλων συμβατικών πηγών ενέργειας, έτσι ώστε μια οποιαδήποτε επιστημονική προσέγγιση να μη χάσει την αξία της αλλά και το σκοπό της. 3.3 ΕΙΔΗ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μέχρι σήμερα έχουν επινοηθεί και λειτουργήσει, από αρχαιότατων χρόνων, περισσότεροι τύποι ανεμομηχανών από οποιοδήποτε άλλον τύπο εφεύρεσης. Οι Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 11

22 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά ανεμοκινητήρες μπορούν να ταξινομηθούν, σύμφωνα με τον προσανατολισμό των αξόνων τους, σε σχέση με τη ροή του ανέμου, σε: Οριζόντιου άξονα (Head Οn), στους οποίους ο άξονας περιστροφής του δρομέα είναι παράλληλος προς την κατεύθυνση του ανέμου. Οριζόντιου άξονα (Cross Wind), στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος προς την επιφάνεια της Γης αλλά κάθετος στην κατεύθυνση του ανέμου. Κάθετου άξονα, στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος στην επιφάνεια της Γης όπως και στη ροή του ανέμου (Savonius, Darrieus, Giromill κ.ά.), σχήμα 3.2. Επίσης έχουν επινοηθεί και άλλοι τύποι ανεμομηχανών όπως αυτοί του ηλιακού φωτός, Venturi, με διαχυτή ή συγκεντρωτή, αεροτομής, Magnus κ.ά. Σχήμα 3.2 Ανεμοκινητήρας κατακόρυφου άξονα τύπου Darrieus Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 12

23 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά 3.4 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Η περιγραφή αντιστοιχεί σε μια Α/Γ του τύπου «ΒW 10» η οποία είναι σχεδιασμένη για να παρέχει ρεύμα 220/150Hz κυρίως για την εξυπηρέτηση εγκαταστάσεων που η σύνδεσή τους με το δίκτυο της Δ.Ε.Η. δεν είναι δυνατόν να γίνει. Στο σχήμα 3.3 φαίνεται η γενική μορφή της Α/Γ, η οποία αποτελείται από τα εξής μέρη: Πτερύγιο (1), Φυγοκεντικός μηχανισμός αεροδυναμικού φρένου (2), Πλήμνη (3), Κάλυμα πλήμνης (4), Πλαίσιο ατράκτου (5), Κιβώτιο πολλαπλασιασμού (6), Δισκόφρενο (7), Υδραυλική μονάδα ελέγχου του φρένου (8), Ελαστικός σύνδεσμος (9), Γεννήτρια (10), Μονάδα προσανεμισμού ατράκτου (11), Τράπεζα ολίσθησης (12), Πυλώνας (13) και Κάλυμμα ατράκτου (14). Σχήμα 3.3 Γενική μορφή μιας ατράκτου Α/Γ Επίσης στο σχήμα 3.4, φαίνονται τα εξαρτήματα της ατράκτου μιας Α/Γ οριζόντιου άξονα, τα οποία είναι: Πλαίσιο ατράκτου (1), Γεννήτρια (2), Δευτερογενής κινητήριος άξονας (3), Κιβώτιο πολλαπλασιασμού ταχυτήτων (4), Έδρανο άξονα (5), Προσκόλληση πυλώνα (6), Πυλώνας (7), Φρένο (8), Κύριος άξονας (9), Κύριο έδρανο άξονα (10), Πτερύγιο (11), Βάση πτερυγίου (12) και Πλήμνη (13). Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 13

24 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά Σχήμα 3.4 Απλή μορφή μιας ατράκτου ΚΙΝΗΣΗ ΑΝΕΜΟΚΙΝΗΤΗΡΑ Η κίνηση του ανεμοκινητήρα αρχίζει λόγω των δυνάμεων και ροπών που ενεργούν στο στρεφόμενο τμήμα του, καθώς ο άνεμος διέρχεται δια μέσου του δρομέα. Οι δυνάμεις αυτές, μπορεί να οφείλονται στην αντίσταση που ο δρομέας του ανεμοκινητήρα προβάλει στη ροή του ανέμου, ή σε δυνάμεις άνωσης. Οι δυνάμεις αντίστασης έχουν την ίδια φορά με την κατεύθυνση πνοής του ανέμου, ενώ οι δυνάμεις άνωσης έχουν φορά κάθετη προς την κατεύθυνση του ανέμου. Επίσης, είναι γνωστό από την Αεροδυναμική ότι η δύναμη άνωσης που αναπτύσσεται πάνω σε μια αεροτομή (πτέρυγα) που βρίσκεται σε γωνία πρόσπτωσης ως προς το ρεύμα του αέρα είναι πολλαπλάσια της δύναμης αντίστασης που εφαρμόζεται στην αεροτομή. Για αυτό και οι ανεμοκινητήρες των οποίων η λειτουργία βασίζεται στην εκμετάλλευση των δυνάμεων άνωσης, είναι αποδοτικότεροι από τους ανεμοκινητήρες των οποίων η λειτουργία βασίζεται σε δυνάμεις αντίστασης. Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 14

25 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά Σχήμα 3.5 Ενδεικτική μορφή του πτερυγίου μιας ανεμογεννήτριας Σχήμα 3.6 Επίδραση των δυνάμεων άνωσης και αντίστασης του αέρα στα πτερύγια του δρομέα μιας ανεμογεννήτριας Σχήμα 3.7 Επίδραση των δυνάμεων άνωσης και αντίστασης του αέρα στα πτερύγια του δρομέα μιας ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 15

26 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά Σχήμα 3.8 Επίδραση των δυνάμεων άνωσης και αντίστασης του αέρα στα πτερύγια του δρομέα μιας ανεμογεννήτριας κατακόρυφου άξονα Στα σχήματα 3.6, 3.7 και 3.8 φαίνεται πως επιδρούν οι δυνάμεις της άνωσης και της αντίστασης του αέρα στη λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας. 3.5 ΤΥΠΙΚΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ ΑΞΟΝΑ Η πιο διαδεδομένη μορφή ανεμοκινητήρα που εφαρμόζεται ευρέως στην πράξη είναι ο A/Κ οριζοντίου άξονα. Ο περιστρεφόμενος μηχανισμός των ανεμοκινητήρων που ονομάζεται δρομέας, μπορεί να έχει ένα πτερύγιο (μονόπτερος) μέχρι και τριάντα (30) ή και περισσότερα (πολύπτερος). Σε σχέση με τη θέση του δρομέα προς τον πύργο στήριξης και τη διεύθυνση του ανέμου, οι Α/Γ μπορεί να έχουν το δρομέα μπροστά από τον πύργο (ανάντη) ή πίσω (κατάντη). Για τη μεγιστοποίηση δέσμευσης της κινητικής ενέργειας του ανέμου απαιτείται το επίπεδο του δρομέα να είναι πάντοτε κάθετο στην κατεύθυνση του ανέμου και γι αυτό το σκοπό στους μεν μικρής ισχύος ανεμοκινητήρες (ανάντη) υπάρχει ένα πτερύγιο (σχήμα 3.9) που ευθυγραμμίζει τον άξονα του δρομέα στον άνεμο, στους δε Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 16

27 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά μεγάλους η ευθυγράμμιση γίνεται μέσω υδραυλικών συστημάτων (σερβομηχανισμού).ο πύργος στήριξης της Α/Γ μπορεί να είναι σωληνωτού τύπου, τύπου δικτυώματος, ή να στηρίζεται με επίτομα (συρματόσχοινα). Ο δρομέας του ανεμοκινητήρα δεν πρέπει να ξεπερνάει κάποια μέγιστη γωνιακή ταχύτητα για λόγους προστασίας των πτερυγίων από μηχανικές καταπονήσεις, που προέρχονται από φυγόκεντρες δυνάμεις. Για την προστασία αυτή έχουμε διάφορους αυτοματισμούς όπως η αεροπέδη στα ακροπτερύγια, γωνιακή στροφή του δρομέα κ.ά. Σχήμα 3.9 Α/Γ με πτερύγιο προσανατολισμού Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 17

28 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά 3.6 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Α/Γ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ ΑΞΟΝΑ ΔΡΟΜΕΑΣ Ο σχεδιασμός του δρομέα, είναι ίσως το πιο βασικό ζήτημα στη απόδοση όλου του συστήματος. Στόχος είναι να βρεθεί ένας βέλτιστος συνδυασμός των διαφόρων παραμέτρων που συνθέτουν το δρομέα: ταχύτητα περιστροφής, διάμετρος δρομέα, αριθμός πτερυγίων, κατανομή πλάτους πτερυγίου, κατάλληλη αεροτομή, συστροφή κ.ά. Τα κριτήρια επιλογής είναι η μεγιστοποίηση της ετήσιας παραγόμενης ενέργειας και η ελαχιστοποίηση του κόστους παραγωγής. Η διάμετρος του δρομέα, θα εξαρτηθεί από την ονομαστική ισχύ της μηχανής και το αιολικό δυναμικό της περιοχής εγκατάστασης του ανεμοκινητήρα. Η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα, επιλέγεται έτσι ώστε ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου προς την ονομαστική ταχύτητα του ανέμου να βρίσκεται στην περιοχή της βέλτιστης τιμής συντελεστή ισχύος της Α/Γ. Η κατανομή του πλάτους των πτερυγίων θα προκύψει από τη βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής σχεδίασης του δρομέα, ενώ το πλήθος των πτερυγίων (η στερεότητα του δρομέα), θα εξαρτηθεί από το είδος της εφαρμογής του ανεμοκινητήρα. Ανάλογα με τη μορφή του δρομέα διακρίνουμε δύο διαφορετικούς τύπους: α) Πολυπτέρυγοι. Χαρακτηριστικό των δρομέων αυτών είναι η μικρή διάμετρος, η μικρή περιφερειακή ταχύτητα και η μεγάλη ροπή. Στο παρελθόν, κατασκευάστηκαν σε βιομηχανική κλίμακα, πολυπτέρυγοι ανεμόμυλοι (Αμερικανικού τύπου) και βρήκαν πλατιά εφαρμογή στην άντληση νερού. Η κατασκευή τέτοιων μηχανών, καθώς και η έρευνα προς την κατεύθυνση αυτή, τείνουν να εγκαταλειφτούν, κυρίως λόγο του μικρού συντελεστή ισχύος και του κατασκευαστικού περιορισμού της διαμέτρου που έχουν. β) Ολιγοπτέρυγοι. Οι δρομείς αυτοί, έχουν δυο ή τρία πτερύγια, έχουν τη μορφή των πτερυγίων των ελίκων των αεροσκαφών με αρκετή συστροφή από τη βάση με το ακροπτερύγιο και μεταβαλλόμενη χορδή, μέχρι με λέπτυνση προς το ακροπτερύγιο. Τα βασικά χαρακτηριστικά του δρομέα, είναι ο μεγάλος συντελεστής ισχύος και η βέλτιστη λειτουργία του σε μεγάλο σχετικά λόγο ταχυτήτων ακροπτερυγίου λ. R V Οι αεροτομές που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των πτερυγίων, παρουσιάζουν μεγάλο συντελεστή άνωσης σε μικρές σχετικά γωνίες πρόσπτωσης, ενώ Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 18

29 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά συγχρόνως διατηρούν χαμηλό συντελεστή αντίστασης σε ευρεία περιοχή γωνιών πρόσπτωσης, με τυπικό εκπρόσωπο τέτοιων αεροτομών τη ΝΑCΑ Οι δρομείς αυτοί, είναι πιο ταχύστροφοι από τους πολυπτέρυγους δρομείς και ελαφρώς οικονομικότεροι, παρουσιάζουν επίσης ευκολία στη συναρμολόγηση του ανεμοκινητήρα. Γενικά ο τρίπτερος δρομέας είναι κατά 5% περισσότερο αποδοτικός από το δύπτερο και τα φορτία που ενεργούν σε κάθε πτερύγιο είναι μικρότερα με υψηλότερο όμως κόστος κατασκευής ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Ενδιαφέρει κυρίως η συμπεριφορά του δρομέα κατά την εκκίνηση, όπως και η ροπή εκκίνησης και σε αυτά βοηθούν πολύ τα διαγράμματα του συντελεστή ροπής C m. Επίσης, βοηθούν πολύ η μελέτη της συμπεριφοράς του δρομέα σε χρονικά μεταβαλλόμενες καταστάσεις, όπως η επιτάχυνση, επιβράδυνση, ριπές ανέμου, τυρβώδες πεδίο, αλλά και το πεδίο που η ταχύτητα αλλάζει με το ύψος από το έδαφος ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΟΥ ΒΗΜΑΤΟΣ Η ρύθμιση του βήματος των πτερυγίων ή μέρους τους (Flaps), γίνεται για να υπάρχουν οι παρακάτω λειτουργίες : Εκκίνηση του δρομέα στην κατάλληλη μικρότερη ταχύτητα ανέμου Εκκίνηση του δρομέα με βήμα που θα δώσει τη μέγιστη ροπή Διατήρηση της σταθερότητας των στροφών Μέγιστη απόδοση σε διάφορες ταχύτητες ανέμου με μεταβολή του βήματος Περιορισμός της ισχύος σε υψηλές ταχύτητες ανέμου Παύση της λειτουργίας σε περιπτώσεις θυελλωδών ανέμων, ή μηδενικής ζήτησης φορτίου. Για την επίτευξη αυτών των ρυθμίσεων χρησιμοποιούνται συστήματα μεταβολής του βήματος του δρομέα, έτσι ώστε να υπάρχει ασφαλής λειτουργία του Α/Κ αλλά και γρήγορη προσαρμογή του στις εκάστοτε συνθήκες λειτουργίας. Τα συστήματα μεταβολής του βήματος είναι : α) Υδραυλικά Μηχανικά. Είναι από τα παλαιότερα ολοκληρωμένα συστήματα αυτοματισμού (δεκαετίας 60-70). Χρησιμοποιήθηκαν στις περισσότερες κατασκευές της Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 19

30 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά εποχής, αρκετά αξιόπιστα αλλά με αρκετά προβλήματα στις ακραίες καταστάσεις εναλλασσόμενων φορτίων και χωρίς να εξασφαλίζουν ακρίβεια προσαρμοστικότητας. β) Ηλεκτρονικά συστήματα αυτομάτου ελέγχου. Αυτά, είναι η πιο εξελιγμένη μορφή ελέγχου και τείνουν να αποτελέσουν τη μόνη λύση στις μεσαίες και μεγάλες Α/Γ. Βέβαια και εδώ έχουμε αρκετές μορφές ελέγχου, όπως αυτής με ψηφιακά κυκλώματα, προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές (Ρ.L.C.) και τέλος τον έλεγχο με συστήματα υπολογιστών που είναι δυνατή η ρύθμιση από ένα λογισμικό, αλλά και η παρακολούθηση από κεντρικό σταθμό μέσω μεταφοράς δεδομένων με τις τηλεφωνικές γραμμές, σχήμα Σχήμα 3.10 Διάταξη, επεξεργασία και έλεγχος ανεμολογικών δεδομένων μιας ανεμογεννήτριας γ) Σύστημα με Ελαστική Έδραση των Πτερυγίων. Με τη μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου αλλάζει η ροπή γύρω από τις εδράσεις των πτερυγίων. Για τη εκμετάλλευση αυτύ του φαινομένου τοποθετείται στην έδραση των πτερυγίων με την πλήμνη, Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 20

31 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά μηχανισμός με ελαστικούς συνδέσμους ή ελατήρια, έτσι ώστε μετά από κατάλληλο σχεδιασμό να επιτευχθεί το επιθυμητό βήμα σε κάθε ταχύτητα ανέμου. δ) Σύστημα Αντιβάρων. Τα αντίβαρα, μεταβάλλουν την απόσταση από τον άξονα ανάλογα με την ταχύτητα περιστροφής, έτσι ώστε, μέσω ενός μηχανισμού, να μεταβάλλουν το βήμα και έτσι να ρυθμίζουν τις στροφές και την ισχύ. 3.7 ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΝΤΟΧΗΣ ΤΩΝ ΠΤΕΡΥΓΙΩΝ Τα υλικά κατασκευής των πτερυγίων των δρομέων είναι ποικίλα, (πίνακας 3.1) σύνθετα αλλά και ιδιαίτερα για το κάθε μέγεθος. Έτσι στους μικρούς ανεμοκινητήρες συναντιέται σαν κύριο υλικό το υαλόνημα και ξύλο με εσωτερική γέμιση την πολυουρεθάνη που είναι ασταθής στα εναλλασσόμενα φορτία ανθεκτικά στη διάβρωση. Στους μεγαλύτερους συναντιούνται υαλονήματα με ακτινική και παράλληλη διάταξη σε πολλαπλά στρώματα, στους μεγάλους δε χρησιμοποιούνται και πάλι τα ίδια υλικά αλλά και ανθρακονήματα, κυρίως για την αυξημένη αντοχή στα μεγάλα εναλλασσόμενα φορτία. Πίνακας 3.1Υλικά κατασκευής πτερυγίων ΥΛΙΚΟ Επιτρεπόμενη Τάση Πυκνότητα Κόστος (Mpa) (ECU/kg) XAΛΥΒΑΣ ,5-8 ΙΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ FGRP ΞΥΛΟ Το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι Α/Γ, είναι η εμφάνιση ταλαντώσεων από την επίδραση των εναλλασσόμενων φορτίσεων του ανέμου, με δυσάρεστα και απρόβλεπτα προβλήματα αντοχής των υλικών. Για την αντιμετώπισή τους πραγματοποιείται μια μελέτη των τάσεων και ταλαντώσεων στα πτερύγια του δρομέα (πειραματικά και θεωρητικά). Η μελέτη αυτή έχει σα σκοπό την εύρεση κατάλληλων Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 21

32 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά υλικών (συνδυασμός χαμηλού κόστους με αντοχή στις ταλαντώσεις και τάσεις) και κατάλληλου τρόπου κατασκευής των Α/Γ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Στους μικρούς κυρίως ανεμοκινητήρες, για λόγους κόστους, χρησιμοποιούμε καθοδηγητικό πτερύγιο τοποθετημένο πίσω από το δρομέα παράλληλα με την πλήμνη, έτσι ώστε η επιφάνεια της ουράς όσο και η θέση της προς τον άξονα του πύργου, να επιλέγονται έτσι, ώστε σε απόκλιση του ανέμου κατά 10 μοίρες να εξασκείται ριπή επαναπροσανατολισμού του δρομέα στον άνεμο, ικανή να υπερνικήσει την αντίρροπη ριπή λόγω γυροσκοπικού φαινομένου. Στους μεγάλους Α/Κ σήμερα χρησιμοποιείται σύστημα αυτομάτου ελέγχου της διεύθυνσης του ανέμου με τον ανεμοδείκτη του ανεμογράφου και ένα σερβομηχανισμό που προσανατολίζει ανάλογα το δρομέα. Κατά την τοποθέτηση του δρομέα κατάντη του ανέμου, έχουμε ευκολότερο σύστημα προσανατολισμού αλλά ο θόρυβος είναι σε υψηλότερα επίπεδα λόγω της σκίασης του πύργου πάνω στο δρομέα, αλλά και αυξημένες καταπονήσεις στα πτερύγια λόγω της περιοδικότητας των φορτίσεών τους από την επισκίαση του πύργου, καθώς περιστρέφεται ο δρομέας. Μια άλλη μορφή αρκετά παλιά αλλά περισσότερο εξελιγμένη από το ουραίο πτερύγιο, είναι το «ρόδο των ανέμων» όπως ονομάζεται, μια μικρή βοηθητική έλικα, κάθετη στο δρομέα, η οποία περιστρεφόμενη με τον αέρα, όταν ο δρομέας δεν είναι κάθετος στη διεύθυνση του ανέμου, κινεί με γρανάζια τον Α/Κ. 3.8 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΠΥΡΓΟΥ ΚΑΙ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ ΤΟΥ Ο πύργος στήριξης, είναι συνήθως από μεταλλικό δικτύωμα ή μια κολόνα από μέταλλο ή μπετόν, σε κυκλική ή πολυγωνική μορφή σε κωνικό σχήμα. Πρέπει να έχει το κατάλληλο αεροδυναμικό σχήμα, ώστε να παρεμβάλει ελάχιστα στη ροή του ανέμου και να προδίδει την απαραίτητη σταθερότητα και αντοχή στην κατασκευή. Ένα επίσης σημαντικό στοιχείο, είναι η ευκολία μεταφοράς και ανέγερσής του στον τόπο εγκατάστασης με τον τύπου δικτυώματος να είναι ευκολότερος στη συναρμολόγηση και ανάρτηση, ελαφρύτερος και οικονομικότερος αλλά με προβλήματα θορύβου. Ο σωληνωτός είναι αισθητικά καλύτερος, προστατεύει όλα τα όργανα της Α/Γ στο εσωτερικό του με εσωτερική σκάλα πρόσβασης στο κουβούκλιο, παρουσιάζει ευκολία στη Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 22

33 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά μεταφορά (και μετά από κάποιο ύψος) και ανέγερση με αρκετά μεγαλύτερο κατασκευαστικό κόστος, αλλά έχει όμως χαμηλή ιδιοσυχνότητα (μικρότερη από αυτήν του δρομέα) για αυτό και η περιοχή της ιδιοσυχνότητάς του πρέπει να ξεπερνιέται γρήγορα κατά την εκκίνηση του δρομέα για αποφυγή φαινομένων συντονισμού μαζί του. Επίσης στην περίπτωση του μεταλλικού πύργου επιβάλλεται η προστασία του έναντι της διάβρωσης με εν θερμώ επιψευδαργύρωση είτε με ειδική βαφή. Το ύψος του δρομέα πάνω από το έδαφος εξαρτάται από τη μορφή και την τραχύτητα του εδάφους (μορφή οριακού στρώματος), τα τυχόν εμπόδια στη ροή του αέρα (κτίρια, δέντρα κ.ά.). Η εκλογή του ύψους είναι θέμα κόστους γιατί από τη μια έχουμε την αύξηση της ταχύτητας του εκμεταλλεύσιμου ανέμου, από την άλλη δε την αύξηση τους κόστους της κατασκευής. 3.9 ΠΛΗΜΝΗ ΚΑΙ ΚΥΡΙΟΣ ΑΞΟΝΑΣ ΤΗΣ Α/Γ Η πλήμνη, μεταφέρει τη μηχανική ισχύ από τα πτερύγια στον κύριο άξονα της Α/Γ. Κατασκευάζεται από χυτοσίδηρο ή χάλυβα, αποφεύγοντας συγκολλήσεις οι οποίες μπορούν να αποτελέσουν σημεία αδυναμίας της κατασκευής. Σχήμα 3.11 Αιωρούμενη πλήμνη Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 23

34 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά Στους δίπτερους δρομείς μεγάλης διαμέτρου επιβάλλεται, για τη μικρότερη καταπόνηση του άξονα, να διαθέτει η πλήμνη ειδική διάταξη που να επιτρέπει την περιστροφή των πτερυγίων υπό μικρή γωνία ως προς το κατακόρυφο επίπεδο. Το είδος αυτό της πλήμνης λέγεται αιωρούμενη πλήμνη (Teetering hub) και φαίνεται στο σχήμα Ο κύριος άξονας μεταφέρει τη μηχανική ισχύ του δρομέα στο κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών. Είναι συμπαγής ή κοίλος και κατασκευάζεται από χάλυβα υψηλής αντοχής με κύριες προσμίξεις χρώμιο, νικέλιο και μολυβδένιο. Στο ένα άκρο του καταλήγει σε σχήμα φλάντζας, μέσω της οποίας συνδέεται με την πλήμνη ενώ στο άλλο εδράζεται το κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών. Στηρίζεται σε δύο έδρανα μέσω των οποίων μεταφέρονται οι ακτινικές και ωστικές δυνάμεις στην άτρακτο και από εκεί διά του πύργου στη θεμελίωση. Για τον περιορισμό του όγκου και του βάρους της κατασκευής ο κύριος άξονας μπορεί να συνδεθεί απευθείας στο κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών, χωρίς την παρεμβολή εδράνων, το κιβώτιο όμως πρέπει να είναι μεγαλύτερης ισχύος επειδή δέχεται απευθείας τα φορτία του δρομέα και συνεπώς δαπανηρότερο, σχήμα Σχήμα 3.12 Το κουβούκλιο της ανεμογεννήτριας με την πλήμνη και τον κύριο άξονα χαμηλών και υψηλών στροφών Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 24

35 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά 3.10 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΕΔΗΣΗΣ ΤΗΣ ΠΛΗΜΝΗΣ Υπάρχουν αρκετοί τρόποι επιβράδυνσης του δρομέα ενός ανεμοκινητήρα όπως : Μεταβολή του βήματος του πτερυγίου ή του ακροπτερυγίου ή και ενεργοποίηση της αεροπέδης στο ακροπτερύγιο. Στροφή του ίδιου του δρομέα παράλληλα με το ρεύμα του ανέμου. Αύξηση της αεροδυναμικής αντίστασης του πτερυγίου. Πέδηση του άξονα. Είναι φανερό ότι ο προτιμότερος τρόπος ακινητοποίησης της μηχανής είναι η σταδιακή μείωση των αεροδυναμικών φορτίων της, με παράλληλη αύξηση της αντίρροπης αντίστασης, έτσι ώστε να μην αναπτύσσονται κρουστικά φορτία στη φάση της πέδησης (σχήμα 3.13). Σχήμα 3.13 Φυγοκεντρικό σύστημα μεταβολής του βήματος Σε περίπτωση αστοχίας των μηχανισμών ρύθμισης του βήματος των πτερυγίων, απαιτείται πέδηση η οποία πραγματοποείται με δισκόφρενο αυτόματα στον υψηλόστροφο Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 25

36 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά άξονα της μηχανής (αυτόν μετά από την έξοδο του κιβωτίου ταχυτήτων) ώστε η απαιτούμενη ροπή πέδησης να είναι αρκετά μικρή ΚΙΒΩΤΙΟ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ ΣΤΡΟΦΩΝ Αυτό μεταφέρει τη μηχανική ισχύ από τον κύριο άξονα της Α/Γ στη γεννήτρια μέσω συστήματος οδοντωτών τροχών. Επειδή η ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας είναι συνήθως RPM και η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα μικρότερη από πενήντα (50), η σχέση μετάδοσης του κιβωτίου είναι από είκοσι (20) έως πενήντα (50). Περιλαμβάνει δύο ή τρεις βαθμίδες οδοντωτών τροχών παραλλήλων αξόνων ελικοειδούς οδόντωσης για περιορισμό του θορύβου. Στις Α/Γ μεγάλης ισχύος (τάξεως του MW) προτιμάται η χρήση πλανητικού κιβωτίου λόγω του μικρότερου βάρους, μικρότερου όγκου και μεγαλύτερου βαθμού απόδοσης. Στον παρακάτω πίνακα γίνεται σύγκριση των δύο τύπων κιβωτίων που προορίζονται για Α/Γ 750kW. Πίνακας 3.2 Σύγκριση κιβωτίων παραλλήλων αξόνων και πλανητικού τύπου Χαρακτηριστικά κιβωτίων πολλασιασμου στροφών Παράλληλων αξόνων Πλανητικού τύπου Μάζα 7000kg 5000kg Διαστάσεις 2,4 1,5m 1,3 1,3m Ποσότητα λαδιού λίπανσης 825lit 190lit Σχετικό κόστος 1 0,6 Η σχεδίαση και κατασκευή του κιβωτίου, πρέπει να είναι κατάλληλη για την αντιμετώπιση των απότομων μεταβολών της ροπής του δρομέα, που προέρχονται από τις ριπές του ανέμου. Για λόγους ασφαλείας η ονομαστική ισχύς του κιβωτίου λαμβάνεται μιάμιση (1,5) έως δύο (2) φορές μεγαλύτερη από την ονομαστική ισχύ της γεννήτριας της Α/Γ. Για την εξομάλυνση της μηχανικής ροπής και κατ' επέκταση της παραγόμενης Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 26

37 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά ισχύος, συνήθως η έδραση του κιβωτίου επιτρέπει την ταλάντωσή του. Το κιβώτιο εδράζεται στον κύριο άξονα της Α/Γ, αλλά το κέλυφός του μπορεί να στραφεί γύρω από αυτόν κατά μια μικρή γωνία. Σε άλλες περιπτώσεις, η σύνδεση μεταξύ άξονα και κιβωτίου γίνεται με πτυσσόμενο δίσκο (Shrink Disk) ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Το ηλεκτρολογικό σύστημα της Α/Γ περιλαμβάνει: α) την ηλεκτρική γεννήτρια β) μικρούς κινητήρες (π.χ. τον κινητήρα προσανατολισμού) γ) αυτόματους διακόπτες και ασφάλειες ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Συνδέεται μέσω εύκαμπτων καλωδίων, με τη βάση του πύργου της Α/Γ όπου βρίσκεται ο πίνακας διακοπτών και ασφαλειών. Από τον πίνακα αυτόν, εν συνεχεία, αναχωρούν καλώδια προς την κατανάλωση. Στην περίπτωση σύνδεσης της Α/Γ σε υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο, μεταξύ της Α/Γ και του δικτύου παρεμβάλλεται μετασχηματιστής ανύψωσης της τάσης. Στα νησιά του Αιγαίου η σύνδεση των Α/Γ γίνεται με γραμμές Μέσης Τάσης δηλαδή 15-20kV. Οι συνηθέστεροι τύποι γεννητριών είναι : α) Ασύγχρονη Γεννήτρια. Αυτή παρέχει την περισσότερο οικονομική λύση, έχει απλή κατασκευή (απουσία ψηκτρών στο δρομέα), εύκολη σύνδεση με το δίκτυο και απουσία ταλαντώσεων συχνότητας που αποτελούν σοβαρά πλεονεκτήματα. Διεγείρεται παίρνοντας ρεύμα μαγνήτισης από το δίκτυο στο οποίο παραλληλίζεται. Το γεγονός αυτό δεν αποτελεί σοβαρό μειονέκτημα όταν η εγκαταστημένη ισχύς είναι μικρότερη από την ισχύ του δικτύου. Εμφανίζονται όμως προβλήματα όταν η εγκατεστημένη ισχύς είναι συγκρίσιμη με την ισχύ του δικτύου. Όταν η Α/Γ είναι συνδεδεμένη σε ηλεκτρικό δίκτυο τότε η άεργος ισχύς προσφέρεται από το δίκτυο. Συνήθως εγκαθίστανται επιπλέον στον πίνακα της Α/Γ πυκνωτές, για την κάλυψη μέρους της άεργου ισχύος, συμβάλλοντας έτσι στη βελτίωση του λεγόμενου συντελεστή ισχύος της εγκατάστασης. Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 27

38 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά Αν η Α/Γ λειτουργεί αυτόνομα (μη συνδεδεμένη σε ηλεκτρικό δίκτυο) αλλά τροφοδοτεί μια χρονικά μεταβαλλόμενη κατανάλωση, η λειτουργία της γεννήτριας είναι προβληματική λόγω της δυσκολίας της ρύθμισης της άεργου ισχύος μέσω συστήματος πυκνωτών. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούνται σύγχρονες ή συνεχούς ρεύματος γεννήτριες. β) Σύγχρονη Γεννήτρια. Έχει το πλεονέκτημα της αυτοδιέγερσης γεγονός που επιτρέπει τη χρησιμοποίησή της όταν η εγκατεστημένη ισχύς είναι περίπου ίση με την ισχύ του δικτύου. Εκτός από τη μηχανική ρύθμιση ισχύος στην πτερύγωση, η οποία είναι απαραίτητη, ανεξάρτητα από το είδος της γεννήτριας, η σύγχρονη γεννήτρια απαιτεί και ηλεκτρική ρύθμιση ισχύος, γιατί για μια συγκεκριμένη φόρτιση (χωρική, επαγωγική, ωμική) τα kva του φορτίου είναι συνάρτηση του ρεύματος διέγερσης όταν η τάση στα άκρα της είναι σταθερή. Το βασικό όμως πρόβλημα της σύγχρονης γεννήτριας είναι ότι, για να διατηρούνται οι στροφές σταθερές, απαιτούνται συστήματα αυτομάτου ελέγχου τα οποία και πολύπλοκα είναι και δαπανηρά. γ) Σύγχρονη Γεννήτρια με Μαγνητικούς Πόλους. Χρησιμοποιείται κυρίως για αυτόνομες οικιακές εφαρμογές που απαιτούν συσσωρευτή «εκκίνησης» για τη διέγερσή του και οι απώλειες του τυλίγματος δεν υπερβαίνουν, για μικρές γεννήτριες το 5 έως 10% της ονομαστικής λειτουργίας τους. Βέβαια μετά από μεγάλη διακύμανση του ανέμου οι στροφές αυξομειώνονται με συνέπεια οι μέσες απώλειες του τυλίγματος διέγερσης να φθάνουν το 20 έως 30% εκτός και αν παρέχεται ρεύμα στη διέγερση πάνω από μια ταχύτητα ανέμου. Με την εύρεση νέων μαγνητικών υλικών (Hera, Ferrite, Magnadur) δίνεται η δυνατότητα στις μηχανές αυτές να λειτουργούν σε συνθήκες κόρου του σιδηρομαγνητικού υλικού. Επίσης έχουν τη δυνατότητα να κατασκευαστούν με μεγάλο αριθμό πόλων και έτσι περιορίζεται σημαντικά η απαιτούμενη σχέση μετάδοσης 1:1 (π.χ. 250RPM). Αυτό σημαίνει πλήρη απουσία του κιβωτίου πολλαπλασιασμού στροφών με την αντίστοιχη μείωση του κόστους. Στη δισκοειδή της μορφή καταλαμβάνει ένα μικρό εγκάρσιο μήκος και μπορεί να τοποθετηθεί σε έναν οριζόντιο άξονα αποτελώντας με το δρομέα ένα ενιαίο συμπαγές σύνολο. δ) Γεννήτρια Συνεχούς Ρεύματος. Οι μηχανές Σ.Ρ. είναι πολύ περισσότερο εύκολο να ελεγχθούν από ότι οι μηχανές Ε.Ρ. και συνεπώς, από την πλευρά αυτή, προσφέρονται για την παραγωγή ηλεκτρικής Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 28

39 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά ενέργειας από τον άνεμο και κυρίως για μικρές αυτόνομες μονάδες. Στην περίπτωση αυτή ή τροφοδοτούν απ' ευθείας συσκευές συνεχούς ρεύματος ή φορτίζουν συσσωρευτές, όπου με τη βοήθεια Inverter μετατρέπεται το ρεύμα σε εναλλασσόμενο, για την τροφοδότηση συνηθισμένων οικιακών συσκευών. Βέβαια παρουσιάζουν ορισμένα μειονεκτήματα και κυρίως ευπάθεια και αναγκαία συντήρηση του συστήματος ψηκτρών - συλλέκτη, αλλά το μικρό κόστος και η ευκαμψία τους, τις έχει καθιερώσει σε αυτές τις εφαρμογές ΜΙΚΡΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Ο κινητήρας προσανατολισμού είναι ασύγχρονος τριφασικός και ισχύος 1kW στρεφόμενος και κατά τις δυο φορές περιστροφής δια εναλλαγής των φάσεων. Σε νεότερες μηχανές οι κινητήρες αυτοί είναι υδραυλικοί, με καλύτερη απόκριση και ακρίβεια, μα με υψηλότερο κόστος ΑΥΤΟΜΑΤΟΙ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ Στον ηλεκτρικό πίνακα της ανεμογεννήτριας, είναι τοποθετημένοι αυτόματοι διακόπτες, για το άνοιγμα ή κλείσιμο των κυκλωμάτων, κατόπιν εντολών που προέρχονται από το σύστημα ελέγχου της ανεμογεννήτριας, ασφάλειες για την προστασία του ηλεκτρικού της κυκλώματος, έναντι υπερέντασης βραχυκυκλώματος και του συστήματος ελέγχου της. Το σύστημα ελέγχου της ανεμογεννήτριας σε νεότερη μορφή, μπορεί να αποτελείται από P.L.C. ή μικρούς υπολογιστές (eprom). Στις μικρές εφαρμογές για τη μετατροπή του DC σε ΑC από τις μπαταρίες, χρησιμοποιούνται συσκευές Ιnverter ώστε να κάνουν δυνατή τη χρήση οικιακών συσκευών εναλλασσόμενου ρεύματος ΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ Η ενέργεια του ανέμου ποικίλει από περιοχή σε περιοχή, αλλά είναι γενικότερα αφθονότερη στη θάλασσα, χωρίς την παρεμβολή των χερσαίων ιδιομορφιών. Στις συνθήκες των τροπικών ωκεανών, για τη μεγιστοποίηση της συλλογής της ενέργειας του ανέμου, θα εγκατασταθούν, στα Ενεργειακά Νησιά, ανεμογεννήτριες, σε ρυθμιζόμενου ύψους υδραυλικούς ιστούς, επιτρέποντας τη συλλογή σε διαφορετικά ύψη, Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 29

40 Κεφάλαιο 3 ο : Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα Ενεργειακά Νησιά ανάλογα με το φύσημα του ανέμου. Πάνω σε μια πλατφόρμα φάρδους 600m προτείνεται να τοποθετηθούν τρεις ανεμογεννήτριες χαμηλής στάθμης, διαμέτρου 70m και τρεις ανεμογεννήτριες υψηλής στάθμης, κάθε μια από τις οποίες έχει τη δυνατότητα να παράγει 3MW. Η μέγιστη παραγόμενη ισχύς είναι 18MW. Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 30

41 Κεφάλαιο 4 ο : Αξιοποίηση της Ενέργειας των Ρευμάτων της Θάλασσας στα Ενεργειακά Νησιά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Η αρχή λειτουργίας των διατάξεων αξιοποίησης της ενέργειας των ρευμάτων είναι η εξής: Τα ρεύματα του ωκεανού είναι σαν υποθαλάσσιοι άνεμοι και μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια κινώντας ένα συνηθισμένο περιστρεφόμενο στοιχείο. Το ποσόν της παραγόμενης ισχύος εξαρτάται από την ταχύτητα του ρέοντος ύδατος και από τη διάμετρο του ρότορα. 4.2 ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ Υπάρχουν διάφοροι τύποι μηχανισμών που δοκιμάζονται για τη σύλληψη της ενέργειας των ρευμάτων. Τα συστήματα αυτά θαλάσσιας ενέργειας βασίζονται στις εξής αρχές λειτουργίας: ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ (TIDAL STREAM) Οι διατάξεις αυτές χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της ενέργειας των παλιρροιακών ρευμάτων σε ηλεκτρική ενέργεια αναγκάζοντας το νερό να περάσει διαμέσου των στροβίλων. Οι στρόβιλοι περιστρέφουν μια γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτή η τεχνολογία αντιμετωπίζεται ευνοϊκά γιατί έχει χαμηλότερα κόστη κεφαλαίου και εκτιμάται ότι έχει λιγότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τα παλιρροιακά συστήματα διακύμανσης. Κατηγορίες τέτοιων διατάξεων είναι: α) Στρόβιλοι Παλιρροιακών Ρευμάτων (οριζόντιου ή κατακόρυφου άξονα). Βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας με τις ανεμογεννήτριες και στην πραγματικότητα Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 31

42 Κεφάλαιο 4 ο : Αξιοποίηση της Ενέργειας των Ρευμάτων της Θάλασσας στα Ενεργειακά Νησιά έχουν και ακριβώς την ίδια εμφάνιση. Χρησιμοποιούν την ενέργεια ενός ρεύματος που ρέει με μεγάλη ταχύτητα για την περιστροφή των πτερυγίων στροβίλων, με τον ίδιο τρόπο όπως ο άνεμος περιστρέφει τους αεροστρόβιλους στην ξηρά (Σχήμα 4.1). Σχήμα 4.1 Έκφραση ζωγράφου, στρόβιλοι παλιρροιακών ρευμάτων, κατακόρυφου άξονα, από 7 kw μέχρι 12 MW β) Εμβολοφόρες ταλαντευόμενες διατάξεις παλιρροιακών ρευμάτων. Έχουν υδρολισθητήρες που κινούνται πίσω-μπρος, σε ένα επίπεδο, στρωτά με το παλιρροιακό ρεύμα, αντί περιστρεφόμενα πτερύγια. Ένα σχέδιο χρησιμοποιεί υδραυλικά έμβολα, για την τροφοδοσία ενός υδραυλικού κυκλώματος, που περιστρέφει έναν υδραυλικό κινητήρα και γεννήτρια, για την παραγωγή ισχύος (Σχήμα 4.2). Σχήμα 4.2 Η διάταξη Stingray της Εταιρίας The Engineering Business, 150 kw, 2002 γ) Διατάξεις παλιρροιακών ρευμάτων που λειτουργούν με αγωγό Venturi. Σε αυτές η παλιρροιακή ροή κατευθύνεται διαμέσου ενός αγωγού, που συγκεντρώνει τη ροή, και δημιουργεί μια διαφορά πίεσης. Αυτό προκαλεί μια δευτερεύουσα ροή ρευστού διαμέσου ενός στροβίλου (Σχήμα 4.3). Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 32

43 Κεφάλαιο 4 ο : Αξιοποίηση της Ενέργειας των Ρευμάτων της Θάλασσας στα Ενεργειακά Νησιά Σχήμα 4.3 Η διάταξη Ducted Propeller,Οριζοντίου Άξονα της Εταιρίας Lunar Energy, 2 kw 4.3 ΟΙ ΣΤΡΟΒΙΛΟΙ ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ Η ενέργεια των ρευμάτων της θάλασσας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την περιοχή αλλά είναι αποδεκτό ότι ένας καλυμμένος στρόβιλος, συναρμολογημένος κάθετα εγκάρσια σε μια σταθερή ροή ρεύματος 500m, μπορεί να παράγει 2MW/100m ή συνολικά 10MW. Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 33

44 Κεφάλαιο 5 ο : Αξιοποίηση της Ενέργειας των Κυμάτων στα Ενεργειακά Νησιά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ 5.1 ΓΕΝΙΚΑ Η αρχή λειτουργίας των διατάξεων αξιοποίησης της ενέργειας των κυμάτων είναι η εξής: Η κίνηση του κύματος μετασχηματίζεται σε μια μηχανική ή μια υδραυλική δύναμη. Ένας σύνδεσμος μεταδίδει τη δύναμη σε ένα σύστημα μετατροπής ισχύος που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Το ποσόν της παραγόμενης ισχύος εξαρτάται από το ύψος του κύματος και από τη φύση του συστήματος μετατροπής. 5.2 ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ Υπάρχουν ουσιαστικά τέσσερις βασικοί τύποι μηχανισμών που έχουν δοκιμαστεί πειραματικά για τη σύλληψη της ενέργειας των κυμάτων. Τα συστήματα αυτά κυματικής ενέργειας βασίζονται στις εξής αρχές λειτουργίας: α) Παλλόμενη Στήλη Νερού (σχήμα 5.1 και εικόνα 5.1). Στην απλούστερή του μορφή το σύστημα αυτό είναι μια στήλη με τη μια έδρα μέσα στο νερό και την άλλη έδρα ανοιχτή στον αέρα. Όταν η στάθμη του νερού μετατοπίζεται, τότε και η στήλη του αέρα μετατοπίζεται επίσης. Η παλινδρομική κίνηση της θαλάσσιας επιφάνειας προκαλεί ρυθμική συμπίεση - αποσυμπίεση της αέριας μάζας μέσα στο θάλαμο, η οποία χρησιμοποιείται για την κίνηση αεροστρόβιλου. Εάν τοποθετηθεί ένας αεροστρόβιλος στην ανοιχτή πλευρά της στήλης, η ροή του αέρα θα παράγει ισχύ. Οι λεγόμενοι στρόβιλοι Wells κατέχουν την ικανότητα να περιστρέφονται μονίμως κατά την ίδια κατεύθυνση, όποια και αν είναι η φορά του ρεύματος του αέρα μέσω του στροβίλου. Μια τέτοια στήλη μπορεί να τοποθετηθεί είτε υπεράκτια είτε παράκτια. Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 34

45 Κεφάλαιο 5 ο : Αξιοποίηση της Ενέργειας των Κυμάτων στα Ενεργειακά Νησιά Σχήμα 5.1 Καθώς η στάθμη του νερού ανεβοκατεβαίνει, μια στήλη αέρα συμπιέζεται και αποσυμπιέζεται, θέτοντας σε κίνηση ένα στρόβιλο. Εικόνα 5.1 Η κυματική διάταξη Oceanlinx β) Υπερκαλυπτόμενη Διάταξη (σχήμα 5.2 και εικόνα 5.2). Σε αυτόν τον τύπο το νερό κυλά υπεράνω μιας κεκλιμένης επιφάνειας και γεμίζει μια τεχνητή δεξαμενή. Το αποθηκευμένο νερό στη συνέχεια διοχετεύεται μέσω ενός σωλήνα διαμέσου ενός υδροστροβίλου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σχήμα 5.2 Συλλέγοντας νερό από τα κύματα σε μια δεξαμενή, αυτή η διάταξη θέτει σε κίνηση ένα στρόβιλο καθώς το συγκεντρωμένο νερό αποστραγγίζει. Ενεργειακά Νησιά, Παπαδόπουλος Σ. Απόστολος 35