Ήπιες Μορφές Ενέργειας

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ενότητα 3: Αιολικό Δυναμικό Καββαδίας Κ.Α. Τμήμα Μηχανολογίας

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ο άνεμος ως φυσικό φαινόμενο Μέτρηση αιολικού δυναμικού Αξιολόγηση αιολικού δυναμικού Χωρική μεταβολή της ταχύτητας Κατανομή Weibull Κατανομή Rayleigh 4

5 ΑΝΕΜΟΣ Ατμοσφαιρικός αέρας σε κίνηση Ένταση και διεύθυνση της ταχύτητας Εξαρτάται από: Γενική ατμοσφαιρική κυκλοφορία ηλιακή ακτινοβολία θερμοκρασιακές διαφορές Περιστροφή της γης γύρω από τον άξονά της Ανομοιομορφία θερμικής συμπεριφοράς θάλασσας και ξηράς 5

6 ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ Ευρωπαϊκός και εθνικός ανεμολογικός άτλαντας. Βιολογικοί δείκτες αιολικού δυναμικού (ύπαρξη δέντρων που έχουν παραμορφωθεί). Λαογραφικά στοιχεία και παραδόσεις (ύπαρξη παλαιών ανεμόμυλων). Τοπογραφικές λεπτομέρειες (ορεινοί όγκοι, χαράδρες, παραθαλάσσιες εκτάσεις κ.λπ.). Μετεωρολογικοί-ανεμολογικοί σταθμοί μετρήσεων μεγάλης χρονικής διάρκειας στην ευρύτερη περιοχή, τα στοιχεία των οποίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μέτρο σύγκρισης. 6

7 ΕΥΡΩΠΑΪΚΟΣ ΚΑΙ ΕΘΝΙΚΟΣ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΟΣ ΧΑΡΤΗΣ Πηγή: Risø National Laboratory, Denmark Πηγή: Γεωπληροφοριακός χάρτης, 7

8 ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΕΜΟΥ Ανεμόμετρα ταχύτητας η ένταση του ανέμου προκύπτει από την ταχύτητα περιστροφής κυπελλοφόρο ανεμόμετρο ελικοφόρο ανεμόμετρο Ανεμόμετρα πίεσης η ένταση προσδιορίζεται από την πίεση που ασκεί ο άνεμος σε ορισμένα τμήματα του οργάνου Ανεμόμετρα θερμού στοιχείου για υψηλότερης ακρίβειας μετρήσεις Ανεμοδείκτες 8

9 ΚΛΙΜΑΚΑ BEAUFORT Βαθμοί Beaufort Χαρακτηρισμός Ταχύτητα (m/sec) Προσδιορισμός 0 Άπνοια 0-0,2 Δεν φυσά άνεμος. Ο καπνός υψώνεται κατακόρυφα. 1 Σχεδόν άπνοια 0,3-1,5 Ο άνεμος μετακινεί τον καπνό, όχι όμως τον ανεμοδείκτη. 2 Πολύ ασθενής 1,6-3,3 Ο άνεμος γίνεται αισθητός στο δέρμα. Τα φύλλα κινούνται. 3 Ασθενής 3,4-5,4 Φύλλα και μικρά κλαδιά κινούνται διαρκώς. 4 Σχεδόν μέτριος 5,5-7,9 Ο άνεμος σηκώνει σκόνη και χαρτιά. Τα κλαδιά αρχίζουν να κινούνται. 5 Μέτριος 8,0-10,7 Μικρά δέντρα αρχίζουν να κινούνται. 6 Ισχυρός 10,8-13,8 Μεγάλα κλαδιά κινούνται. Ο αέρας σφυρίζει. Η χρήση της ομπρέλας γίνεται δύσκολη. 7 Σχεδόν θυελλώδης 13,9-17,1 Τα δέντρα κινούνται ολόκληρα και το περπάτημα ενάντια στον άνεμο γίνεται δύσκολο. 8 Θυελλώδης 17,2-20,7 Μεγάλα δέντρα κινούνται ολόκληρα και μικρά κλαδιά σπάνε. 9 Πολύ θυελλώδης 20,8-24,4 10 Θύελλα 24,5-28,4 VV 1,8 BB 3 Μεγάλα κλαδιά σπάνε, μικρές ζημιές σε καμινάδες και σκεπές. Δύσκολη η όρθια στάση. Δέντρα σπάζουν ή ξεριζώνονται. Πολλά κεραμίδια αποσπώνται από τις σκεπές, αρκετές ζημιές στο εξωτερικό των κτιρίων. 11 Ισχυρή θύελλα 28,5-32,6 Πολύ σπάνια παρατηρείται στο εσωτερικό της ξηράς. Αρκετές ζημιές σε κτίρια, αυτοκίνητα, πάρκα. Αδύνατη η όρθια στάση. 12 Τυφώνας > 32,7 Εξαιρετικά σοβαρές καταστροφές σε μεγάλη έκταση. 9

10 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΚΥΡΩΣΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Τεστ εμβέλειας σύγκριση με τις επιτρεπόμενες ανώτερες και κατώτερες τιμές Συγκριτικά τεστ φυσικές σχέσεις ανάμεσα στις κύριες παραμέτρους του προβλήματος (π.χ. εμφάνιση υψηλότερων τιμών ταχύτητας ανέμου στα 25m σε σχέση με τα 40m) Τεστ κατεύθυνσης ρυθμός αλλαγής μιας μετρούμενης τιμής μέσα σε ορισμένο χρονικό διάστημα (μεταβολή της μέσης ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια μιας ημέρας μεγαλύτερη των 5m/sec) Ρυθμός ανάκτησης δεδομένων αριθμός των έγκυρων δεδομένων προς τον αριθμό του συνόλου των μετρήσεων 10

11 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Μέση ταχύτητα ανέμου: V N = i= 1 V N V V +... N i = V N Τυπική απόκλιση των μετρήσεων: S 1 N 2 v = (Vi V) N 1 i= 1 11

12 ΠΟΛΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ Κύρια διεύθυνση του ανέμου (διευθύνσεις που συνεισφέρουν τουλάχιστον 10% στη συνολική διαθέσιμη αιολική ενέργεια) Επικρατούσα διεύθυνση (έχει τη μεγαλύτερη συχνότητα εμφάνισης) 12

13 ΧΩΡΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ Οριακό στρώμα της ατμόσφαιρας Εκθετική διανομή (power-law): V(z) V(z ) = z 1 z 1 a Επί τοις εκατό μεταβολή της ταχύτητας Οι τιμές της παραμέτρου "a" κυμαίνονται μεταξύ 0,05 για παγωμένες λείες επιφάνειες και 0,45 για αστικές περιοχές. Εμφανίζει καλή ακρίβεια σε διαφορές ύψους μεγαλύτερες από 30-50m. Μειώνεται η ακρίβεια για πολύ μεγάλες διαφορές. 13

14 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ + P(V f (V)dV a = 1. 0 V V ) = b V b V a f (V) dv f(v) 0,160 0,140 0,120 0,100 0,080 ΚΥΘΝΟΣ h=10m 0,060 0,040 0,020 0,000 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 20,5 21,5 22,5 23,5 24,5 V (m/s) 14

15 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ - 1 Καμπύλη Ολικής Πιθανότητας "F(V)" V 0 F(V 0) = f (V) dv 0 Αθροιστική πιθανότητα η ένταση του ανέμου να είναι μικρότερη από μια καθορισμένη τιμή "V 0 " Καμπύλη Διάρκειας "G(V)" G(V 0) = f (V) dv V 0 Πιθανότητα η ένταση του ανέμου να είναι μεγαλύτερη από μία καθορισμένη τιμή "V 0 " F(V 0 )+G(V 0 )=1.0 15

16 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ - 2 ΚΥΘΝΟΣ h - F(V)-G(V) 1,0 0,9 0,8 F(V), G(V) 0,7 0,6 0,5 0,4 F(10)i G(10)i 0,3 0,2 0,1 0, V (m/s) 16

17 ΡΙΠΕΣ ΑΝΕΜΟΥ Απότομη μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου σε διάστημα 20 s. Συνήθως ξεπερνά τα 9 m/s. Παράμετρος που καθορίζει την κόπωση της ανεμογεννήτριας. Υπό συνθήκες θα πρέπει να υπάρχει πρόβλεψη απενεργοποίησης της ανεμογεννήτριας. 17

18 ΤΥΡΒΗ ΑΝΕΜΟΥ Χαρακτηρίζει τη μεταβλητότητα της ταχύτητας του ανέμου. Η ένταση της τύρβης ορίζεται ως το πηλίκο της τυπικής απόκλισης ως προς τη μέση τιμή της ταχύτητας: S Απαιτείται για τον υπολογισμό I = vτων μεταβαλλόμενων φορτίων που μπορούν να οδηγήσουν V σε γήρανση του υλικού των ανεμογεννητριών 18

19 ΑΝΑΛΥΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ Η ακρίβεια της εκτίμησης της ποιότητας του αιολικού δυναμικού μιας περιοχής συσχετίζεται με την επιτυχία ή αποτυχία μιας αιολικής επένδυσης. Για τη διεξαγωγή ασφαλή αποτελεσμάτων για την εγκατάσταση ενός αιολικού πάρκου απαιτούνται μακροχρόνιες και αναλυτικές μετρήσεις. Το κόστος των μετρήσεων και η καθυστέρηση της επένδυσης, σε συνδυασμό με την έλλειψη μακροχρόνιων μετρήσεων, οδηγούν στη χρήση ημιεμπειρικών μοντέλων. Τα ημιεμπειρικά μοντέλα περιγράφουν το αιολικό δυναμικό μιας περιοχής, βάσει μικρού αριθμού παραμέτρων, που προκύπτουν από την επεξεργασία πειραματικών μετρήσεων. 19

20 ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 0,160 ΚΥΘΝΟΣ h=10m 0,140 f(v) 0,120 0,100 0,080 f(10)i f(10)w f(10)r 0,060 0,040 0,020 0,000 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 20,5 21,5 22,5 23,5 24,5 V (m/s) 20

21 ΚΑΤΑΝΟΜΗ WEIBULL - 1 Μπορεί να θεωρηθεί ως γενίκευση της εκθετικής κατανομής Περιγράφει ικανοποιητικά τα ανεμολογικά χαρακτηριστικά για ύψος μέχρι 100m από το έδαφος Εκφράζει την πιθανότητα η ταχύτητα VV να βρίσκεται στην περιοχή: dv V V V + 2 dv 2 21

22 "C": (παράμετρος μεγέθους/θέσης) συνδέεται με τη μέση ταχύτητα του ανέμου: "k": (παράμετρος μορφής) αντιστρόφως ανάλογη της διασποράς του μέτρου των ταχυτήτων του ανέμου ως προς τη μέση ταχύτητα ΚΑΤΑΝΟΜΗ WEIBULL - 2 = k 1 k W C V exp C V C k (V) f Γ + Γ + = k k C σ ee VV CC kk VV = CC Γ k CC 1,1 VV 22

23 ΚΑΤΑΝΟΜΗ WEIBULL - 3 Υπολογισμός των kk και CC με τη χρήση ευθείας ελαχίστων τετραγώνων προσαρμοσμένη στις μετρήσεις. Υπολογίζεται η καμπύλη διάρκειας των ταχυτήτων του ανέμου (το χρονικό διάστημα για το οποίο η μετρημένη ταχύτητα είναι μικρότερη από κάποια προσδιορισμένη τιμή), ολοκληρώνοντας την κατανομή Weibull: Υπολογισμός λογαρίθμου: Θέτουμε: V o ( Vo ) = P V ln 0 f ( V ) dv = 1 e k Vo C [ ln( 1 P( V Vo ))] = k ln C + k lnvo y [ ln( P( V ))] = ln 1 x = lnv o V o y = k ln C + k x y = A + B x C = e k = B A B 23

24 ΚΑΤΑΝΟΜΗ WEIBULL

25 ΚΑΤΑΝΟΜΗ WEIBULL

26 ΚΑΤΑΝΟΜΗ WEIBULL - 6 Ειδική μορφή της κατανομής "Weibull" και προκύπτει από αυτήν όταν η παράμετρος "k" ληφθεί ίση με 2.0 f R (V) πv 2V πv exp 4V = V = i = N i= 1 f ( V ) i V i 26

27 ΜΙΚΡΟΘΕΜΑ Αντλώντας τις απαραίτητες πληροφορίες από τον Γεωπληροφοριακό Χάρτη της ΡΑΕ ( να εκτιμήσετε το ποσοστό αξιοποίησης του διαθέσιμου αιολικού δυναμικού στη χώρα μας, καθώς επίσης και το ποσοστό αξιοποίησης του αιολικού δυναμικού ανά περιφέρεια, λαμβάνοντας υπόψη τις προστατευόμενες περιοχές. 27

28 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ - 1 Μετρήσεις ετήσιας διάρκειας του αιολικού δυναμικού μιας περιοχής έδειξαν ότι τα πειραματικά δεδομένα περιγράφονται με ικανοποιητική ακρίβεια από μια κατανομή τύπου "Rayleigh". Επίσης, από τα δεδομένα των μετρήσεων είναι γνωστό ότι στην υπό μελέτη περιοχή, άνεμοι εντάσεως μικρότερης των 12 m/sec εμφανίζονται 5300 h ετησίως. Να υπολογισθεί, με βάση την ανάλυση "Weibull", ο μέγιστος αριθμός των ωρών που λειτουργεί ετησίως ανεμογεννήτρια εγκατεστημένη στην εν λόγω περιοχή, όταν οι ταχύτητες έναρξης και διακοπής λειτουργίας της μηχανής είναι 4 m/sec και 25 m/sec αντίστοιχα. 28

29 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ - 2 Να υπολογιστεί η καμπύλη "Weibull", η οποία αντιστοιχεί στα ετήσια μετρημένα ανεμολογικά στοιχεία της περιοχής "Χώρα Κύθνου" και περιγράφει κατά τον καλύτερο δυνατό τρόπο το διαθέσιμο αιολικό δυναμικό για ταχύτητες ανέμου έως 21 m/s. Ταχύτητα Ανέμου (m/sec) Πειραματική Συχνότητα (%) Ταχύτητα Ανέμου (m/sec) Πειραματική Συχνότητα (%) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,9 29

30 Τέλος Ενότητας