ΠΟΛΤΚΡΙΣΗΡΙΑΚΗ ΒΔΛΣΙΣΟΠΟΙΗΗ ΣΗ ΔΚΜΔΣΑΛΛΔΤΗ ΣΟΤ ΑΙΟΛΙΚΟΤ ΓΤΝΑΜΙΚΟΤ ΓΙΑ ΣΗ ΤΝΓΔΗ ΑΙΟΛΙΚΧΝ ΤΣΗΜΑΣΧΝ/ΠΑΡΚΧΝ ΣΑ ΓΙΚΣΤΑ ΤΦΗΛΧΝ ΣΑΔΧΝ ΓΗΓΑΚΣΟΡΗΚΖ ΓΗΑΣΡΗΒΖ

Transcript

1 ΠΟΛΤΚΡΙΣΗΡΙΑΚΗ ΒΔΛΣΙΣΟΠΟΙΗΗ ΣΗ ΔΚΜΔΣΑΛΛΔΤΗ ΣΟΤ ΑΙΟΛΙΚΟΤ ΓΤΝΑΜΙΚΟΤ ΓΙΑ ΣΗ ΤΝΓΔΗ ΑΙΟΛΙΚΧΝ ΤΣΗΜΑΣΧΝ/ΠΑΡΚΧΝ ΣΑ ΓΙΚΣΤΑ ΤΦΗΛΧΝ ΣΑΔΧΝ ΓΗΓΑΚΣΟΡΗΚΖ ΓΗΑΣΡΗΒΖ ΓΡΗΓΟΡΙΟΤ Δ. ΜΑΡΜΙΓΗ ΓΗΠΛΩΜΑΣΟΤΥΟΤ ΖΛΔΚΣΡΟΛΟΓΟΤ ΜΖΥΑΝΗΚΟΤ θαη ΜΖΥΑΝΗΚΟΤ ΤΠΟΛΟΓΗΣΩΝ Α.Π.Θ. ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟ ΠΑΣΡΩΝ ΣΜΖΜΑ ΖΛΔΚΣΡΟΛΟΓΩΝ ΜΖΥΑΝΗΚΩΝ ΚΑΗ ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΑ ΤΠΟΛΟΓΗΣΩΝ ΑΡΗΘΜΟ ΓΗΑΣΡΗΒΖ 261 ΔΠΣΔΜΒΡΗΟ 2010

2 Πηζηνπνίεζε Πηζηνπνηείηαη φηη ε παξνχζα δηδαθηνξηθή δηαηξηβή κε ζέκα : Πνιπθξηηεξηαθή βειηηζηνπνίεζε ηεο εθκεηάιιεπζεο ηνπ αηνιηθνύ δπλακηθνύ γηα ηε ζύλδεζε αηνιηθώλ ζπζηεκάησλ/πάξθσλ ζηα δίθηπα πςειώλ ηάζεσλ, ηνπ θ. Γξεγνξίνπ Μαξκίδε, Γηπισκαηνχρνπ Ζιεθηξνιφγνπ Μεραληθνχ θαη Μεραληθνχ Τπνινγηζηψλ παξνπζηάζζεθε δεκφζηα ζην Σκήκα Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ, ζηηο 20 επηεκβξίνπ 2010, θαη εμεηάζζεθε θαη εγθξίζεθε απφ ηελ αθφινπζε Δμεηαζηηθή Δπηηξνπή: Αληψληνο Αιεμαλδξίδεο, Καζεγεηήο Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ, Δπηβιέπσλ Καζεγεηήο Γεκήηξηνο Σζαλάθαο, Οκφηηκνο Καζεγεηήο Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ, Μέινο ηεο πκβνπιεπηηθήο Δπηηξνπήο Διεπζεξία Ππξγηψηε, Δπίθνπξε Καζεγήηξηα Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ, Μέινο ηεο πκβνπιεπηηθήο Δπηηξνπήο Γαβξηήι Γηαλλαθφπνπινο, Καζεγεηήο Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ Εαραξίαο Θσκάο, Δπίθνπξνο Καζεγεηήο Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ Δπάγγεινο Γηαιπλάο, Καζεγεηήο Δζληθνχ Μεηζφβηνπ Πνιπηερλείνπ Παχινο Γεσξγηιάθεο, Λέθηνξαο Δζληθνχ Μεηζφβηνπ Πνιπηερλείνπ Πάηξα, 20 επηεκβξίνπ 2010 Ο Δπηβιέπσλ Καζεγεηήο Ο Πξφεδξνο ηνπ Σκήκαηνο Καζεγεηήο Α. Αιεμαλδξίδεο Καζεγεηήο Α. Σδέο

3

4 Σν έξγν ζπγρξεκαηνδνηήζεθε 80% ηεο Γεκφζηαο Γαπάλεο απφ ηελ Δπξσπατθή Έλσζε Δπξσπατθφ Κνηλσληθφ Σακείν 20% ηεο Γεκφζηαο Γαπάλεο απφ ην Διιεληθφ Γεκφζην Τπνπξγείν Αλάπηπμεο - Γεληθή Γξακκαηεία Έξεπλαο θαη Σερλνινγίαο θαη απφ ηελ ABB S.A. ζην πιαίζην ηνπ Μέηξνπ 8.3 ηνπ Δ.Π. Αληαγσληζηηθφηεηα Γ Κνηλνηηθφ Πιαίζην ηήξημεο.

5 Αθηεξψλεηαη ζηνπο γνλείο κνπ Δπάγγειν θαη Μαξγαξίηα θαη ζηνλ αδεξθφ κνπ Βαζίιε

6 Πξφινγνο Ζ δηαηξηβή απηή εθπνλήζεθε ζηo πιαίζην ησλ εξεπλεηηθψλ δξαζηεξηνηήησλ ηνπ Δξγαζηεξίνπ Παξαγσγήο, Μεηαθνξάο, Γηαλνκήο θαη Υξεζηκνπνίεζεο Ζιεθηξηθήο Δλέξγεηαο ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ, ππφ ηελ επίβιεςε ηνπ Καζεγεηή θ. Α. Αιεμαλδξίδε θαη κέιε ηεο Σξηκεινχο Δπηηξνπήο Δπίβιεςεο ηνλ Οκφηηκν Καζεγεηή θ. Γ. Σζαλάθα θαη ηελ Δπίθνπξε Καζεγήηξηα θα. Δ. Ππξγηψηε. Ζ παξνχζα δηδαθηνξηθή δηαηξηβή ρξεκαηνδνηήζεθε απφ ηε ΓΓΔΣ κέζσ ηεο δξάζεο ΠΔΝΔΓ 2003 (πξφγξακκα 158β). Γηα ηελ πξνζπάζεηα απηή, πξψηα απφ φια νθείισ λα επραξηζηήζσ έλαλ άλζξσπν ν νπνίνο δπζηπρψο πιένλ δε βξίζθεηαη καδί καο, ηνλ αείκλεζην Καζεγεηή Γεκνζζέλε Αγνξή. Υάξηο ζ απηφλ ζπλδέζεθα κε ην Παλεπηζηήκην Παηξψλ γηα λα μεθηλήζσ ηελ εξεπλεηηθή κνπ εξγαζία θαη λα είκαη ζήκεξα ζηελ επράξηζηε ζέζε λα ηελ έρσ νινθιεξψζεη. Τπήξμε ζεκαληηθφο θαζνδεγεηήο θαη πνιχ ζπνπδαίνο θίινο. Θα ήζεια λα επραξηζηήζσ ζεξκά ηνλ Καζεγεηή θ. Αληψλε Αιεμαλδξίδε γηα ηελ εκπηζηνζχλε πνπ κνπ έδεημε θαη γηα ηε ζπλερή επηζηεκνληθή θαζνδήγεζή ηνπ, πνπ νδήγεζε ζε ζεκαληηθά επηζηεκνληθά απνηειέζκαηα ζε έλα ζχγρξνλν πεδίν ηεο επηζηήκεο θαη ηεο ηερλνινγίαο. Θα ήζεια επίζεο λα ηνλ επραξηζηήζσ θαη ζαλ άλζξσπν γηα φιε ηε βνήζεηα θαη ηε ζηήξημε ηνπ ζε κηα πνιχ δχζθνιε πεξίνδν γηα κέλα θαζψο θαη γηα ηελ αξκνληθή ζπλεξγαζία πνπ είρακε ζε φιε ηε δηάξθεηα ηεο εθπφλεζεο ηεο δηαηξηβήο απηήο. Γηα ηα άιια δχν κέιε ηεο Σξηκεινχο Δπηηξνπήο Δπίβιεςεο, νθείισ λα επραξηζηήζσ ηνλ Οκφηηκν Καζεγεηή θ. Γεκήηξην Σζαλάθα γηα ηηο εχζηνρεο θαη νπζηαζηηθέο ππνδείμεηο θαη παξαηεξήζεηο ηνπ. Ηδηαίηεξα φκσο νθείισ λα επραξηζηήζσ ηελ Δπίθνπξε Καζεγήηξηα θα. Διεπζεξία Ππξγηψηε γηα ηελ βνήζεηα ηεο, ηελ ελεξγφ ζπκβνιή ηεο θαη ηελ ζπκπαξάζηαζε ηεο ζε φιε ηε δηάξθεηα ηεο εθπφλεζεο ηεο δηδαθηνξηθήο κνπ δηαηξηβήο. Αηζζάλνκαη αθφκα ηελ αλάγθε λα επραξηζηήζσ ηα ππφινηπα κέιε ηεο επηακεινχο ζπκβνπιεπηηθήο κνπ επηηξνπήο Καζεγεηή θ. Γαβξηήι Γηαλλαθφπνπιν, Δπίθνπξν Καζεγεηή θ. Θσκά Εαραξία, Καζεγεηή θ. Δπάγγειν Γηαιπλά θαη Λέθηνξα θ. Παχιν Γεσξγηιάθε γηα ην ρξφλν πνπ δηέζεζαλ θαη ηηο επνηθνδνκεηηθέο παξαηεξήζεηο ηνπο. Σέινο ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ηνπο γνλείο κνπ Δπάγγειν θαη Μαξγαξίηα θαη ηνλ αδεξθφ κνπ Βαζίιε γηα ηελ ππνζηήξημε θαη ηελ ζπκπαξάζηαζε ηνπο φια απηά ηα ρξφληα ζηηο θαιέο θαη θαθέο ζηηγκέο. 1

7 2

8 Πεξίιεςε Ζ παξνχζα δηδαθηνξηθή δηαηξηβή αλαιχεη θαη πξνηείλεη θάπνηεο λέεο ιχζεηο θαη κεζνδνινγίεο φζνλ αθνξά ζην πξφβιεκα ηεο βέιηηζηεο απνκάζηεπζεο ελέξγεηαο απφ έλα αηνιηθφ ζχζηεκα. ην πξψην κέξνο, πξνηείλεηαη κηα λέα κεζνδνινγία γηα ηε βειηηζηνπνίεζε ηεο εθκεηάιιεπζεο ηνπ αλέκνπ ζε κηα ζπγθεθξηκέλε πεξηνρή, θαηαιήγνληαο ζηε βέιηηζηε ρσξνηαμηθή ηνπνζέηεζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε έλα αηνιηθφ πάξθν. ην δεχηεξν κέξνο, ν ζθνπφο ηεο βειηηζηνπνίεζεο είλαη ε κεγηζηνπνίεζε ηεο παξαγφκελεο ηζρχνο γηα θάζε ηπραία ηαρχηεηα αλέκνπ, κέζσ ηεο αλάπηπμεο βέιηηζησλ ηερληθψλ ειέγρνπ. Καη ζηηο δχν πεξηπηψζεηο, ε αλάιπζε γίλεηαη κε ηε ρξήζε κνληέισλ ηα νπνία αλαπηχρζεθαλ ζην πεξηβάιινλ ηνπ πξνγξάκκαηνο Matlab θαη ηνλ ππνινγηζηηθψλ εξγαιείσλ πνπ παξέρεη απηφ. Σα κνληέια πνπ δεκηνπξγήζεθαλ, καο νδήγεζαλ ζε κηα ζεηξά πξνζνκνηψζεσλ νη νπνίεο επαιήζεπζαλ ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε θαη επηβεβαίσζαλ φηη νη πξσηφηππεο ιχζεηο πνπ πξνηείλνληαη δίλνπλ βειηηζηνπνηεκέλα απνηειέζκαηα ζε ζρέζε κε αληίζηνηρεο γλσζηέο αλαιχζεηο. Πην ζπγθεθξηκέλα, ην πξψην κέξνο απηήο ηεο δηαηξηβήο επηθεληξψλεηαη ζηε βέιηηζηε επηινγή ηφζν ηνπ αξηζκνχ, φζν θαη ηεο ζέζεο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε κηα ζπγθεθξηκέλε γεσγξαθηθή πεξηνρή. Σν θξηηήξην πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ βειηηζηνπνίεζε είλαη ε κέγηζηε παξαγσγή ελέξγεηαο κε ην ρακειφηεξν θφζηνο. ηελ αλάιπζε απηή, εηζάγεηαη κηα λέα δηαδηθαζία πξνζέγγηζεο απηνχ ηνπ πξνβιήκαηνο κε ηε ρξήζε ηεο Μεζφδνπ Πξνζνκνίσζεο Μφληε Κάξιν. ηελ παξνχζα αλάιπζε, φπσο θαη ζε παιηφηεξεο αληίζηνηρεο, ρξεζηκνπνηείηαη ην ίδην θξηηήξην βειηηζηνπνίεζεο θαη γίλνληαη νη ίδηεο παξαδνρέο, πξνθεηκέλνπ ηα απνηειέζκαηα λα είλαη ζπγθξίζηκα. Σα απνηειέζκαηα πνπ παξνπζηάδνληαη είλαη πνιχ θαιχηεξα θαη φζνλ αθνξά ζηελ παξαγφκελε ηζρχ αιιά θαη ην θξηηήξην βειηηζηνπνίεζεο. Δπηπξφζζεηα, εμάγνληαη ζεκαληηθά ζπκπεξάζκαηα ζρεηηθά κε ην κέγηζην αξηζκφ ησλ αλεκνγελλεηξηψλ θαη ηελ ρσξνηαμηθή ηνπο ηνπνζέηεζε, ηα νπνία επαιεζεχνπλ φηη ε πξνηεηλφκελε κέζνδνο είλαη έλα ιεηηνπξγηθφ εξγαιείν γηα ηελ απφθαζε ηνπνζέηεζεο αλεκνγελλεηξηψλ ζε έλα αηνιηθφ πάξθν. ην δεχηεξν κέξνο, πνπ είλαη θαη πην εθηεηακέλν, ζθνπφο είλαη ε ζρεδίαζε λέσλ ειεγθηψλ πςειήο απφδνζεο, νη νπνίνη επηηπγράλνπλ ηε κέγηζηε παξαγσγή ηζρχνο γηα ζπζηήκαηα αλεκνγελλεηξηψλ κεηαβιεηψλ ζηξνθψλ. Πην ζπγθεθξηκέλα, αλαιχεηαη έλα ζχζηεκα αλεκνγελλήηξηαο ην νπνίν απνηειείηαη απφ επαγσγηθή γελλήηξηα βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ πνπ ζπλδέεηαη ζην δίθηπν κε πιήξσο ειεγρφκελν ac/dc/ac κεηαηξνπέα κε IGBT ζηνηρεία. Αξρηθά παξνπζηάδεηαη κηα αλάιπζε ησλ κεζφδσλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζήκεξα γηα ηε κεγηζηνπνίεζε θαη ηνλ έιεγρν ηεο ηζρχνο. Με βάζε απηή ηελ αλάιπζε, πξνηείλνληεο ελαιιαθηηθέο ιχζεηο πνπ είλαη ιηγφηεξν πνιχπινθεο, πην αθξηβείο θαη πην εχθνια εθαξκφζηκεο, έλα γεγνλφο πνπ απνδεηθλχεηαη κέζσ ηεο ζεσξεηηθήο αλάιπζεο. Γηα ην ζθνπφ απηφ αλαπηχρζεθαλ θαη πξνηάζεθαλ θαηάιιεια κε γξακκηθά κνληέια γηα ην ζχζηεκα ηεο αλεκνγελλήηξηαο, γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ιεηηνπξγίαο ππφ κεηαβιεηή, πξνζαξκνδφκελε ηαρχηεηα. Ζ εθηελήο καζεκαηηθή αλάιπζε απέδεημε φηη ην αξρηθφ κε γξακκηθφ ζχζηεκα ηεξεί ηε ζεκειηψδε ηδηφηεηα ησλ Euler-Lagrange ζπζηεκάησλ, ηελ παζεηηθφηεηα. Απηφ ζεκαίλεη πσο ην ζχζηεκα έρεη απφζβεζε ηφζν ζην ειεθηξηθφ φζν θαη ζην κεραληθφ κέξνο. Δπίζεο, γίλεηαη 3

9 αλάιπζε ηνπ εθαξκνδφκελνπ ζρήκαηνο ηνπ δηαλπζκαηηθνχ ειέγρνπ. Ζ αλάιπζε απηή απνδεηθλχεη φηη κε θαηάιιειε κεηαηξνπή θαη πξνζαξκνγή ησλ PI ειεγθηψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζηελ πιεπξά ηεο γελλήηξηαο θαη ζεκαληηθέο απινπνηήζεηο ηνπ ζρήκαηνο ηνπ παξαδνζηαθνχ δηαλπζκαηηθνχ ειέγρνπ, πξνθχπηνπλ δχν δηαθνξεηηθά ζρήκαηα ειέγρνπ ηα νπνία επηηπγράλνπλ απηφκαηα ηνλ πξνζαλαηνιηζκφ ζην πεδίν πνπ απαηηείηαη απφ ην δηαλπζκαηηθφ έιεγρν, ελψ δηαηεξνχλ θαη απμάλνπλ ηελ απφζβεζε ηνπ αξρηθνχ ζπζηήκαηνο. Οη έιεγρνη απηνί επηηπγράλνπλ εμαηξεηηθή ξχζκηζε ησλ ζηξνθψλ ιεηηνπξγίαο ηεο γελλήηξηαο ζχκθσλα κε ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ, έηζη ψζηε λα νδεγνχλ ζηε βέιηηζηε ιεηηνπξγία, δειαδή απηή ηεο κέγηζηεο δπλαηήο εμαγφκελεο ηζρχνο. Σν πξψην ζρήκα ειέγρνπ είλαη απεπζείαο ζπγθξίζηκν κε ηηο ππάξρνπζεο εθαξκνγέο ηνπ δηαλπζκαηηθνχ ειέγρνπ, ελψ ην δεχηεξν εηζάγεη κηα πξσηνπνξηαθή ηερληθή, ε νπνία βειηηψλεη ζεκαληηθά ηελ απφθξηζε ηνπ ζπζηήκαηνο. Αλάινγεο βειηηψζεηο πξνηείλνληαη θαη γηα ηελ πιεπξά ηνπ κεηαηξνπέα πξνο ηελ πιεπξά ηεο ζχλδεζεο κε ην δίθηπν ηεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Καη γηα απηή ηελ πεξίπησζε απνδεηθλχεηαη φηη ν πξνηεηλφκελνο ζρεδηαζκφο κπνξεί λα δψζεη απινπνηεκέλα ζρήκαηα ειέγρνπ πνιχ απνδνηηθά φκσο γηα ηε δηακφξθσζε ηεο πνηφηεηαο ηεο παξαγφκελεο ηζρχνο Έηζη, επηηπγράλεηαη πιήξεο αληηζηάζκηζε ηεο αέξγνπ ηζρχνο κε ιεηηνπξγία κνλαδηαίνπ ζπληειεζηή ηζρχνο ηεο αλεκνγελλήηξηαο. Δπηπξφζζεηα, επηηπγράλεηαη ε ζαθήο ζηαζεξνπνίεζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηεο δηαζχλδεζεο ζπλερνχο ξεχκαηνο ζε ιεηηνπξγία ζηαζεξήο dc ηάζεο. Οη αλαιπηηθέο πξνζνκνηψζεηο νη νπνίεο δηεμήρζεζαλ, βαζίδνληαη ζε ξεαιηζηηθά ζελάξηα ιεηηνπξγίαο. χκθσλα κε απηά ε απαίηεζε γηα ξχζκηζε ηεο ηαρχηεηαο ζηελ βέιηηζηε ηηκή ηεο ζπκβαίλεη ηελ ίδηα ρξνληθή ζηηγκή πνπ εκθαλίδεηαη αιιαγή ηεο παξερφκελεο ηζρχνο θαη ξνπήο απφ ηνλ άλεκν. Σα απνηειέζκαηα ηεο πξνζνκνίσζεο επαιεζεχνπλ ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε θαη δείρλνπλ φηη θαη ηα δχν πξνηεηλφκελα ζρήκαηα ειέγρνπ επηηπγράλνπλ κεγηζηνπνίεζε ζηελ παξαγσγή ηζρχνο κε ηξφπν απνδνηηθφ θαη κε ηνπο αλακελφκελνπο ρξφλνπο απφθξηζεο. πγθξίζεηο κε ππάξρνπζεο αληίζηνηρεο ηερληθέο ειέγρνπ δείρλνπλ ηελ ππεξνρή ησλ πξνηεηλφκελσλ ζρεκάησλ ειέγρνπ θαη ηελ ηθαλνπνηεηηθή ιεηηνπξγία ηνπο. 4

10 Abstract This dissertation analyses and suggests some efficient solutions for the optimization problem of the available power in a wind system. The thesis is divided into two parts. In the first part, a new methodology is proposed for optimizing the manipulation of wind in a certain area, based on the optimal placement of wind turbines in wind parks. In the second part, the purpose of the optimization is to maximize the power production from the wind, through the development of new control techniques. In both cases, the analysis is made by using detailed nonlinear models, which were developed in computational environment of the Matlab program and all the computational tools that were available. The models that were developed lead us to a series of simulations that confirm the theoretical analysis and suggest original solutions and optimized results in comparison to known ones. Particularly, the first part of this thesis is concentrated in the optimal selection of the number and the positioning of the wind turbines in a certain geographic region. The criterion used for the optimization is the maximum power production with the minimum cost. In this analysis a novel procedure is introduced, based on the Monte Carlo Simulation Method. As in previous studies, we used the same optimization criterion and the other conditions in order the results to be comparable. The presented results are far better as long it concern the maximum power production and the optimization factor. Furthermore, important conclusions are made for the maximum number of the wind turbines and their location that confirm the proposed method as an efficient tool for the geographic distribution of wind mills in a wind park. In the second part of this dissertation, the goal is to design high efficient and simple controllers that achieve maximum power production for wind turbine systems. Particularly, a variable speed wind generation system is considered consisting by a squirrel cage induction generator connected to the grid by a fully controlled ac/dc/ac IGBT converter. To this end, first it is presented an analysis of the control method, namely the vector control method, which is used today for maximization and control of the active power. Based on this analysis, alternative solutions are proposed, that are less complicated, more accurate and easier to be accomplished, a fact that is proved through a theoretical analysis. Suitable nonlinear models have been developed and proposed for a wind turbine system, for the case of operating under variable, adjustable speed. Comprehensive mathematical analysis proves that the original nonlinear system has the fundamental property of Euler-Lagrange systems, which is passivity. This means that the system is damped in both the electric and the mechanical part. Also, an analysis of the existing, vector control based schemes is conducted. Then, by modifying properly the PI controllers used at the generator side and simplifying decisively the vector control scheme, we propose two different control schemes that simultaneously are free from the field oriented requirement of the vector control while they maintain and increase the damping of the initial system. 5

11 The first control scheme is directly comparable with the existing vector control applications, while the second introduces an innovated technique that improves substantially the system response. Detailed simulations that carried out are based on realistic operation scenario, which mean that require demand for the adjustment of the speed in its optimal value, at the same time that a change at the supplied by the wind power and torque occurs. The simulation results confirm the theoretical analysis and show, that both the proposed control schemes achieve optimal power production in an efficient manner and in the expected response time. 6

12 7

13 8

14 ΠΔΡΙΔΥΟΜΔΝΑ Πξόινγνο... 1 Πεξίιεςε.. 3 Abstract... 5 Κεθάιαην 1 Δηζαγσγή 1.1 Δλέξγεηα θαη Πεξηβάιινλ Αλαλεψζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο θνπφο ηεο παξνχζαο δηαηξηβήο Κχξηα ζπκβνιή θαη πξσηνηππία ηεο δηαηξηβήο.. 19 Κεθάιαην 2 Αηνιηθή ελέξγεηα θαη αλεκνγελλήηξηεο 2.1 Δηζαγσγή Άλεκνο Αηνιηθή Δλέξγεηα Ζ Αηνιηθή Δλέξγεηα ζηελ Δπξψπε Αλεκνγελλήηξηεο Αλεκνγελλήηξηεο θαηαθφξπθνπ άμνλα Αλεκνγελλήηξηεο νξηδφληηνπ άμνλα Οη αλεκνγελλήηξηεο ζήκεξα Γνκή ησλ αλεκνγελλεηξηψλ Αλεκνινγηθά ζηνηρεία - Καηαλνκή ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ Ηζρχο ηνπ αλέκνπ Μέγηζηε ζεσξεηηθή ηηκή ηνπ ζπληειεζηή ηζρχνο C P Άλησζε θαη Αληίζηαζε Θεσξία πηεξχγσζεο Λφγνο ηαρχηεηαο αθξνπηεξπγίνπ πληειεζηήο C P θαη ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ Μέγηζηνο ζπληειεζηήο C p Μέγηζηε παξαγφκελε ηζρχο Γσλία βήκαηνο θαη απψιεηα ζηήξημεο Γσλία βήκαηνο πηεξπγίνπ Απψιεηα ζηήξημεο Κπξηφηεξνη ηχπνη αλεκνγελλεηξηψλ Αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο

15 Αλεκνγελλήηξηεο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο Αιιειεπίδξαζε κε ην δίθηπν Αηνιηθά πάξθα Γηαηάμεηο αηνιηθψλ πάξθσλ Τπεξάθηηα αηνιηθά πάξθα Αηνιηθά πάξθα κε ac ζχλδεζε Αηνιηθά πάξθα κε ac/dc ζχλδεζε Αηνιηθά πάξθα κε dc ζχλδεζε Κφζηνο παξαγσγήο ελέξγεηαο γηα δηάθνξα αηνιηθά ζπζηήκαηα/πάξθα Κφζηνο παξαγσγήο ελέξγεηαο χγθξηζε ηνπ θφζηνπο παξαγσγήο Κεθάιαην 3 Βέιηηζηε ηνπνζέηεζε αλεκνγελλεηξηώλ ζε ζέζεηο αηνιηθώλ πάξθσλ 3.1 Δηζαγσγή χληνκε ηζηνξηθή αλαδξνκή Παξαδνρέο θαη κνληέιν Μέζνδνο Πξνζνκνίσζεο Μφληε Κάξιν Αξηζκεηηθή Μέζνδνο Πξνζνκνίσζε θαη Απνηειέζκαηα.. 71 Κεθάιαην 4 Αξρέο ιεηηνπξγίαο θαη ειέγρνπ ησλ αλεκνγελλεηξηώλ κεηαβιεηήο ηαρύηεηαο 4.1 Δηζαγσγή Αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο Αλεκνγελλήηξηεο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο Μεραληθφο έιεγρνο ηζρχνο ζηνλ αλεκνθηλεηήξα Ζιεθηξνληθά εθαξκνδφκελνο έιεγρνο ηζρχνο ζηηο αλεκνγελλήηξηεο Ζιεθηξνληθέο ζπζθεπέο ηζρχνο γηα αηνιηθά ζπζηήκαηα Ζιεθηξνληθά ειεγρφκελνο εθθηλεηήο πζηνηρία ππθλσηψλ Μεηαηξνπείο ηζρχνο ac/dc - Αλνξζσηέο θαη Αληηζηξνθείο Μεηαηξνπείο ζπρλφηεηαο Γελλήηξηεο

16 4.8 Ζ Αζχγρξνλε (επαγσγηθή) γελλήηξηα θαη νη ζπλδεζκνινγίεο ηεο Ζ επαγσγηθή γελλήηξηα δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα ζε εθαξκνγέο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο Δπαγσγηθή γελλήηξηα κε ειεθηξνληθά κεηαβαιιφκελε αληίζηαζε δξνκέα Δπαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο Δπαγσγηθή γελλήηξηα βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ χγρξνλε γελλήηξηα χγρξνλε γελλήηξηα δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα χγρξνλε γελλήηξηα κφληκνπ καγλήηε Δπίδξαζε ησλ αηνιηθψλ ζπζηεκάησλ ζηνλ έιεγρν ηεο ηάζεο Έιεγρνο ηάζεο ζηε δηεζπαξκέλε παξαγσγή Άεξγνο θαη ελεξγφο ηζρχο Δπίδξαζε ηεο αηνιηθήο ελέξγεηαο ζηνλ έιεγρν ηεο ηάζεο ζηα ζπζηήκαηα κεηαθνξάο θαη ζηα δίθηπα δηεζπαξκέλεο ελέξγεηαο Γπλαηφηεηα ειέγρνπ ηεο ηάζεο απφ ηηο αλεκνγελλήηξηεο Έιεγρνο αλεκνγελλεηξηψλ κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο Δχξεζε ηεο ηαρχηεηαο αλαθνξάο Διεγθηέο ηεο γσλίαο βήκαηνο πηεξπγίνπ Ο έιεγρνο ζε αλεκνγελλήηξηεο κε επαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο (DFIG) Ο έιεγρνο ζε αλεκνγελλήηξηεο κε επαγσγηθή γελλήηξηα βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ ζπλδεδεκέλε απεπζείαο ζην δίθηπν κέζσ κεηαηξνπέα ηζρχνο Ο έιεγρνο κεηαβιεηψλ ζηξνθψλ ζε αλεκνγελλήηξηεο κε ζχγρξνλε γελλήηξηα κε κφληκν καγλήηε. 112 Κεθάιαην 5 Αλάιπζε αηνιηθνύ ζπζηήκαηνο κεηαβιεηώλ ζηξνθώλ κε επαγσγηθή γελλήηξηα βξαρπθπθισκέλνπ θισβνύ 5.1 Δηζαγσγή Σν ππφ αλάιπζε ζχζηεκα Μεηαζρεκαηηζκφο ζην ζχζηεκα ησλ θαζέησλ αμφλσλ Σν Μνληέιν ηεο Δπαγσγηθήο Μεραλήο ζην d-q πιαίζην αλαθνξάο Σν d-q κνληέιν ηνπ κεηαηξνπέα ζηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ Σν d-q κνληέιν ηξηθαζηθνχ σκηθνχ-επαγσγηθνχ θπθιψκαηνο Ο κεηαηξνπέαο ηζρχνο θαη ε dc-δηαζχλδεζε Ζ δπλακηθή ηνπ κεραληθνχ κέξνπο ηνπ αλεκνθηλεηήξα Γηαλπζκαηηθφο έιεγρνο Σν ζρήκα δηαλπζκαηηθνχ ειέγρνπ ζην κεηαηξνπέα ζηελ πιεπξά ηεο γελλήηξηαο Μνλάδα Παξαθνινχζεζεο Ρνήο θαη Γσλίαο Πεδίνπ Τπνινγηζκφο ηεο ξνήο θαη γσλίαο ηνπ πεδίνπ απφ ηηο ηάζεηο θαη ηα ξεχκαηα ηεο κεραλήο (α πεξίπησζε)

17 Τπνινγηζκφο ηεο ξνήο θαη γσλίαο ηνπ πεδίνπ απφ ηελ ειεθηξεγεξηηθή δχλακε θαη ηα ξεχκαηα ηεο κεραλήο (β πεξίπησζε) Τπνινγηζκφο ηεο ξνήο θαη γσλίαο ηνπ πεδίνπ απφ ηελ ηαρχηεηα θαη ηα ξεχκαηα ηεο κεραλήο (γ πεξίπησζε) Έιεγρνο ζην κεηαηξνπέα ζηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ. 138 Κεθάιαην 6 Βειηηώζεηο ζηνλ έιεγρν κεηαβιεηώλ ζηξνθώλ αλεκνγελλήηξηαο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνύ 6.1 ηφρνο ηνπ πξνηεηλφκελνπ ειέγρνπ Σν κνληέιν ηνπ ζπζηήκαηνο ζην ρψξν θαηάζηαζεο Αλάιπζε παζεηηθφηεηαο Αλάιπζε παζεηηθφηεηαο ηνπ αλνηρηνχ ζπζηήκαηνο Σν βειηησκέλν ζρήκα δηαλπζκαηηθνχ ειέγρνπ ζηελ πιεπξά ηεο γελλήηξηαο Έιεγρνο ζηε πιεπξά ηνπ δηθηχνπ Σν πξνηεηλφκελν ζρήκα ειέγρνπ Κεθάιαην 7 Πξνζνκνηώζεηο-Απνηειέζκαηα-πκπεξάζκαηα 7.1 Δηζαγσγή Παξάκεηξνη ηνπ ζπζηήκαηνο ελάξηα Πξνζνκνίσζεο Πεξίπησζε Α: ηαζεξφ I ds Πεξίπησζε β: ηαζεξφο ιφγνο I qs /I ds Κεθάιαην 8 πκπεξάζκαηα Πξννπηηθέο 8.1 Γεληθά πκπεξάζκαηα πκβνιή ηεο εξγαζίαο Πξννπηηθέο. 179 Βηβιηνγξαθία-Αλαθνξέο ΠΙΝΑΚΑ ΚΤΡΙΟΣΔΡΧΝ ΤΜΒΟΛΧΝ ΚΑΙ ΑΚΡΟΝΤΜΙΧΝ ΠΙΝΑΚΔ

18 13

19 14

20 Κεθάιαην 1 Δηζαγσγή 1.1 Δλέξγεηα θαη Πεξηβάιινλ Ζ ρξήζε ησλ ζπκβαηηθψλ πεγψλ ελέξγεηαο ζε παγθφζκην επίπεδν έρεη ηδηαίηεξα εληαζεί ηα ηειεπηαία ρξφληα, αθνχ ε βειηίσζε ηνπ βηνηηθνχ επηπέδνπ ησλ αλζξψπσλ ζρεηίδεηαη άκεζα κε ηελ ελέξγεηα. Σα ζπκβαηηθά θαχζηκα είλαη απφ ηνπο ζεκαληηθφηεξνπο παξάγνληεο κφιπλζεο ηεο αηκφζθαηξαο θαη γεληθφηεξα ππνβάζκηζεο ηνπ πεξηβάιινληνο. Σν θαηλφκελν ηνπ ζεξκνθεπίνπ κε ηηο γλσζηέο επηπηψζεηο πνπ έρεη ζηελ θιηκαηηθή αιιαγή, ε φμηλε βξνρή πνπ θαηαζηξέθεη ηελ ρισξίδα θαη παλίδα θαη πνιιέο άιιεο κηθξφηεξεο θιίκαθαο επηβαξχλζεηο ηνπ πεξηβάιινληνο έρνπλ ζαλ θχξηα αηηία ηνπο ηε ρξήζε ησλ ζπκβαηηθψλ πεγψλ ελέξγεηαο [1]. Πεξηβαιινληηθνί ιφγνη αιιά θαη ιφγνη ππεξεθκεηάιιεπζεο θαη εμάληιεζεο ησλ απνζεκάησλ θαπζίκνπ, επηβάιινπλ κηα πην νξζνινγηθή ρξήζε ηνπο ζηελ παξαγσγή ελέξγεηαο θαη ηελ αληηθαηάζηαζε ηνπο κε επηφηεξεο κνξθέο [2]. Αζθαιψο ε ρξήζε ησλ αλαλεψζηκσλ πεγψλ δελ κπνξεί ηνπιάρηζηνλ ζήκεξα λα αληηθαηαζηήζεη αμηφπηζηα ην ζχλνιν ησλ ζπκβαηηθψλ πεγψλ ελέξγεηαο, κπνξεί φκσο λα αλαθνπθίζεη ην ζχζηεκα [3,4] θαη ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ νξζνινγηθή ρξήζε θαη ηελ εμνηθνλφκεζε λα επηθέξεη ζεκαληηθέο πεξηβαιινληηθέο βειηηψζεηο. 15

21 1.2 Αλαλεώζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο Ζ αμηνπνίεζε ησλ ήπησλ ή ελαιιαθηηθψλ ή φπσο έρεη θαζηεξσζεί πιένλ, αλαλεψζηκσλ πεγψλ ελέξγεηαο (ΑΠΔ) πεξηιακβάλεη πεγέο ελέξγεηαο πνπ ε ίδηα ε θχζε ζπλερψο δεκηνπξγεί θαη πνπ ε κεηαηξνπή ηνπο ζε ρξήζηκε γηα ηνλ άλζξσπν κνξθή δελ έρεη ζεκαληηθέο πεξηβαιινληηθέο επηπηψζεηο. αλ αλαλεψζηκεο πεγέο ζήκεξα ελλννχκε θπξίσο ηελ πδξνειεθηξηθή ελέξγεηα, ηελ αηνιηθή ελέξγεηα, ηελ ειηαθή ελέξγεηα, ηε ζαιάζζηα ελέξγεηα ησλ θπκάησλ, ηε βηνκάδα θαη ηε γεσζεξκηθή ελέξγεηα. Καζψο φκσο ε ειεθηξηθή ελέξγεηα έρεη θαζηεξσζεί σο κηα επγελήο θαη εχθνια πξνζβάζηκε κνξθή ελέξγεηαο γηα θάζε ρξήζηε, είλαη ηδηαίηεξνπ ελδηαθέξνληνο ε δπλαηφηεηα κεηαηξνπήο ησλ ΑΠΔ ηειηθά ζε ειεθηξηθή ελέξγεηα ψζηε λα είλαη εχθνια εθκεηαιιεχζηκε. ηελ πξνζπάζεηα απηή ε αηνιηθή ελέξγεηα είλαη ε δεχηεξε ζεκαληηθή κνξθή, κεηά ηελ πδξνειεθηξηθή, πνπ κπνξεί λα δψζεη αμηφινγα κεγέζε ηζρχνο ηφζν ζε ηνπηθφ φζν θαη ζε επξχηεξν επίπεδν. ήκεξα ε παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ αλαλεψζηκεο πεγέο ελέξγεηαο έρεη θαηαζηεί αλαπφζπαζην θνκκάηη ηνπ δηθηχνπ ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Έλα κεγάιν πνζνζηφ ηεο παγθφζκηαο παξαγσγήο ζε ειεθηξηθή ελέξγεηα απφ ΑΠΔ πξαγκαηνπνηείηαη κε αηνιηθά ζπζηήκαηα θαη πάξθα, ελψ αλακέλεηαη κηα πνιχ εληνλφηεξε θαη ζπλερήο αχμεζή ηνπ. Ζ αχμεζε απηή ζηε ζπκκεηνρή ηεο πξάζηλεο ελέξγεηαο ζην ζπλνιηθφ ηζνδχγην νθείιεηαη ζηηο φιν θαη πεξηζζφηεξν κεηνχκελεο ζπκβαηηθέο πεγέο θαπζίκσλ αιιά θαη ζηελ αλάγθε γηα ηελ πξνζηαζία ηνπ πεξηβάιινληνο. ηφρνη, φπσο ν πξφζθαηνο πνπ ε Δπξσπατθή Έλσζε έρεη ζεζπίζεη, γηα παξαγσγή ηνπ 20% ηεο ζπλνιηθήο ελέξγεηαο απφ ΑΠΔ κέρξη ην 2020, δελ ζεσξείηαη αθαηφξζσηνο θαη απνηειεί κηα ξεαιηζηηθή πξννπηηθή. Όπσο είδακε, ζηελ παγθφζκηα αλάπηπμε ησλ αλαλεψζηκσλ πεγψλ ελέξγεηαο, ε αηνιηθή ελέξγεηα παίδεη έλαλ πνιχ ζεκαληηθφ, θαη κάιηζηα απφ ηνπο θπξίαξρνπο απφ άπνςε εγθαηεζηεκέλεο ηζρχνο, ξφιν ζηελ παξαγσγή αιιά θαη ζηελ εμέιημε θαη επέθηαζε ησλ αλαλεψζηκσλ πεγψλ ελέξγεηαο. 1.3 θνπόο ηεο παξνύζαο δηαηξηβήο Ζ επέθηαζε ησλ εγθαηαζηάζεσλ ησλ αηνιηθψλ ζπζηεκάησλ είλαη ξαγδαία. Ζ έληαζε απηή ζηε ρξήζε ηεο αηνιηθήο ελέξγεηαο έρεη ζαλ απνηέιεζκα ηελ αλάγθε γηα έξεπλα θαη αλάπηπμε ζρεηηθήο ηερλνινγίαο θαη ηερλνγλσζίαο γηα νινέλα πην βειηησκέλε θαη αμηφπηζηε ιεηηνπξγία ησλ ζπζηεκάησλ απηψλ. ηελ επηζηεκνληθή απηή πξνζπάζεηα κεηαμχ άιισλ, θπξίαξρε ζέζε έρεη ε αλάπηπμε κεζνδνινγηψλ θαη ηερληθψλ πνπ λα νδεγνχλ ζηελ θαηά ην δπλαηφ κεγαιχηεξε αμηνπνίεζε ηνπ δπλακηθνχ ηεο αηνιηθήο ελέξγεηαο κηαο πεξηνρήο θαη ηελ κεγηζηνπνίεζε ηεο απνκάζηεπζεο ηζρχνο ζηελ παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο [5]. Απηφ ζήκεξα κπνξεί λα γίλεη θπξίσο κε δχν ηξφπνπο. Αθελφο κε ηνλ θαιχηεξν ζρεδηαζκφ ησλ αηνιηθψλ πάξθσλ πνπ έρεη λα θάλεη κε ηε θαιχηεξε ηνπνζέηεζε απφ άπνςε απφδνζεο, ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε κηα γεσγξαθηθή πεξηνρή κεηά ηελ επηινγή ηεο ηνπνζεζίαο ζχκθσλα κε ηα αλεκνινγηθά ηεο ραξαθηεξηζηηθά. Αθεηέξνπ κε ηε ρξήζε πην απνδνηηθψλ ζρεκάησλ παξαγσγήο κε αλεκνγελλήηξηεο πνπ ζα ιεηηνπξγνχλ πην απνηειεζκαηηθά αμηνπνηψληαο ζχγρξνλεο ηερλνινγίεο δηαρείξηζεο ηεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο κε ηε 16

22 ρξήζε ειεθηξνληθψλ ζπζθεπψλ ηζρχνο πνπ ζήκεξα είλαη εκπνξηθά δηαζέζηκεο θαη νη νπνίεο δηαζέηνπλ θαηάιιειεο δηαηάμεηο ειέγρνπ πνπ πξνζαξκφδνπλ ηε ιεηηνπξγία ηεο αλεκνγελλήηξηαο ή ηνπ ζπζηήκαηνο αλεκνγελλεηξηψλ έηζη ψζηε λα επηηπγράλεηαη ε κέγηζηε απνκάζηεπζε ηεο ηζρχνο. Ζ ελζσκάησζε ησλ λέσλ ηερλνινγηψλ ζηε ιεηηνπξγία ησλ αλεκνγελλεηξηψλ απαηηεί ηελ αλάπηπμε λέσλ πνιχπινθσλ κνληέισλ θαη κεζφδσλ αλάιπζεο πνπ λα νδεγνχλ ζε πξνηάζεηο ηερληθά εθηθηέο γηα βειηηζηνπνίεζε ηεο παξαγσγήο έηζη ψζηε ε παξαγσγή απφ αηνιηθή ελέξγεηα λα είλαη νηθνλνκηθά αληαγσληζηηθή πξνο ηηο ζπκβαηηθέο κνξθέο παξαγσγήο. Ζ παξνχζα δηαηξηβή αλαιχεη ην πξφβιεκα θαη πξνηείλεη θάπνηεο απνδνηηθέο ιχζεηο γηα ηε κεγηζηνπνίεζε ηεο παξαγσγήο ηεο ελέξγεηαο απφ αηνιηθά ζπζηήκαηα. Ζ δνκή ηεο δηαθξίλεηαη ζε δχν κέξε. ην πξψην κέξνο πξνηείλεηαη κηα λέα κεζνδνινγία βειηηζηνπνίεζεο ηεο εθκεηάιιεπζεο ηνπ αηνιηθνχ δπλακηθνχ κηαο πεξηνρήο κε βάζε ηε βέιηηζηε ηνπνζέηεζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε ζέζεηο αηνιηθψλ πάξθσλ ελψ ζην δεχηεξν κέξνο ην αληηθείκελν ηεο βειηηζηνπνίεζεο έρεη λα θάλεη κε ηελ αλάπηπμε βειηησκέλσλ ηερληθψλ ειέγρνπ πνπ εμαζθαιίδνπλ ηε κέγηζηε απνκάζηεπζε ηεο πξαγκαηηθήο ηζρχνο πνπ είλαη δηαζέζηκε θάζε ρξνληθή ζηηγκή ζχκθσλα κε ην αηνιηθφ δπλακηθφ ηεο πεξηνρήο. Καη ζηηο δχν πεξηπηψζεηο πνπ εμεηάδνληαη, ε κειέηε γίλεηαη κε ηε ρξήζε κνληέισλ, ηα νπνία αλαπηχρζεθαλ ζε ππνινγηζηηθφ πεξηβάιινλ κε ρξήζε ηνπ πξνγξάκκαηνο Matlab θαη ησλ ππνινγηζηηθψλ εξγαιείσλ πνπ απηφ παξέρεη. Σα κνληέια πνπ δεκηνπξγήζεθαλ νδήγεζαλ ζε κηα ζεηξά πξνζνκνηψζεσλ πνπ επηβεβαηψλνπλ ηελ ζεσξεηηθή αλάιπζε θαη δίλνπλ πξσηφηππεο ιχζεηο θαη βειηησκέλα απνηειέζκαηα ζε ζρέζε κε ηα ππάξρνληα. πγθεθξηκέλα, ην πξψην κέξνο ηεο παξνχζαο δηδαθηνξηθήο δηαηξηβήο αθνξά ζηε βέιηηζηε επηινγή ηφζν ηνπ αξηζκνχ θαη ηεο ηζρχνο φζν θαη ηεο ρσξνηαμηθήο ηνπνζέηεζεο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε κηα ζπγθεθξηκέλε γεσγξαθηθή πεξηνρή. ην κέξνο απηφ, ε βειηηζηνπνίεζε γίλεηαη κε θξηηήξην ηε κέγηζηε παξαγσγή ελέξγεηαο ζε ζπλδπαζκφ πξνο ην ειάρηζην θφζηνο. ε απηή ηελ αλάιπζε γίλεηαη κηα ηειείσο θαηλνχξγηα πξνζέγγηζε, ζε ζρέζε κε φηη έρεη γίλεη ζην παξειζφλ, κε ηε ρξήζε ηεο Μεζφδνπ Πξνζνκνίσζεο Μφληε Κάξιν. Ζ κέζνδνο Μφληε Κάξιν βαζίδεηαη ζηε ρξήζε ησλ ηπραίσλ αξηζκψλ (πηζαλνηηθφ κνληέιν). Ζ κέζνδνο πξνζνκνίσζεο Μφληε Κάξιν είλαη κηα επαλαιεπηηθή κέζνδνο, πνπ θηάλεη ζην δεηνχκελν απνηέιεζκα κεηά απφ ηφζεο επαλαιήςεηο φζεο απαηηεί ε αθξίβεηα πνπ έρνπκε θαζνξίζεη. Ζ εθαξκνγή ηεο πξνζνκνίσζεο κε ηε κέζνδν Μφληε Κάξιν φπσο ρξεζηκνπνηείηαη ζηελ εξγαζία, μεθηλά κε ηελ ηπραία ηνπνζέηεζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε κηα ζπγθεθξηκέλνπ κεγέζνπο έθηαζε. ηε ζπλέρεηα ιακβάλνληαο ππφςε ηνπο ηηζέκελνπο ηερληθνχο θαη άιινπο πεξηνξηζκνχο, αλαπηχζζνληαη θάπνηεο θαηάιιειεο ππνινγηζηηθέο ηερληθέο πνπ νδεγνχλ ζε βέιηηζηα απνηειέζκαηα. Ζ βειηηζηνπνίεζε γίλεηαη κε ηε δεκηνπξγία ελφο πξνγξάκκαηνο δνκεκέλνπ ζε γιψζζα Matlab. Όινη νη ππνινγηζκνί μεθηλνχλ απφ θάπνην ηπραίν ζεκείν πνπ ην πξφγξακκα επηιέγεη, κηαο θαη ε κέζνδνο έρεη ζαλ βάζε ηε ρξεζηκνπνίεζε ησλ ηπραίσλ αξηζκψλ. χκθσλα κε ηελ κέρξη ζήκεξα βηβιηνγξαθία θαη ηηο αλαθνξέο πνπ ππάξρνπλ γηα απηφ ην ζέκα, ηεθκεξηψλεηαη ην πξσηφηππν ηεο εξγαζίαο θαζψο αλαπηχρζεθε κηα δηαθνξεηηθή ινγηθή αληηκεηψπηζεο ηνπ πξνβιήκαηνο ζε ζρέζε κε ηηο κεζφδνπο πνπ έρνπλ ρξεζηκνπνηεζεί ζην παξειζφλ. Ζ πξνζέγγηζε πνπ πξνηείλεηαη είλαη ζπκβαηή κε αληίζηνηρεο εξγαζίεο άιισλ εξεπλεηψλ. ηηο ήδε ππάξρνπζεο κειέηεο φπσο θαη ζηε πξνηεηλφκελε, ρξεζηκνπνηείηαη ην ίδην θξηηήξην βειηηζηνπνίεζεο θαη ην ίδην κέγεζνο γεσγξαθηθήο πεξηνρήο (100 ην πνιχ ζέζεσλ αλεκνγελλεηξηψλ) φπσο έρεη θαζηεξσζεί, έηζη ψζηε ηα απνηειέζκαηα λα είλαη άκεζα ζπγθξίζηκα. Σα απνηειέζκαηα πνπ επηηεχρζεθαλ ζηελ 17

23 εξγαζία απηή είλαη ζαθψο θαιχηεξα ηφζν φζνλ αθνξά ζηελ παξαγσγή ελέξγεηαο αιιά θαη φζνλ αθνξά ζηνλ ζπληειεζηή βειηηζηνπνίεζεο πνπ ηθαλνπνηνχλ. πκπεξαζκαηηθά, επηηεχρζεθε ε βέιηηζηε δπλαηή ηνπνζέηεζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζην ρψξν θαζψο έγηλε δπλαηή ε παξαγσγή κεγαιχηεξεο ζπλνιηθήο ελέξγεηαο ελψ εμήρζεζαλ θαιχηεξεο ηηκέο ηνπ ζπληειεζηή βειηηζηνπνίεζεο. Άιια ζεκαληηθά απνηειέζκαηα ηεο έξεπλαο ζην θνκκάηη απηφ αθνξνχλ ζηελ εμαγσγή ζπκπεξαζκάησλ πνπ ζρεηίδνληαη κε ην κέγηζην αξηζκφ αλεκνγελλεηξηψλ θαη ηεο ζέζεο ηνπο. πγθεθξηκέλα ε κέζνδνο θαη ε ζχγθξηζε ηεο κε ηεο ήδε ππάξρνπζεο, νδεγεί ζην ζπκπέξαζκα φηη γηα ην δεδνκέλν κέγεζνο γεσγξαθηθήο πεξηνρήο ε κέγηζηε αμηνπνίεζε πνπ κπνξεί λα επηηεπρζεί δελ μεπεξλά ην 1/3 κε δηάζπαξηε θαη ηπραία θαηαλνκή ησλ ζέζεσλ ησλ αλεκνγελλεηξηψλ. ην δεχηεξν κέξνο ηεο δηαηξηβήο γίλεηαη πξνζπάζεηα γηα ηελ επίηεπμε ηεο κέγηζηεο απνκάζηεπζεο ελέξγεηαο απφ ζπζηήκαηα αλεκνγελλεηξηψλ πνπ ιεηηνπξγνχλ κε ηελ ηερλνινγία ησλ κεηαβιεηψλ ζηξνθψλ. Ζ ηερλνινγία κεηαβιεηψλ ζηξνθψλ ζπλνδεπφκελε θαη απφ ηνλ επηπιένλ έιεγρν ηνπ βήκαηνο πηεξπγίσλ απνηειεί απηή ηε ζηηγκή ηελ απφιπηα θπξίαξρε ηερλνινγία ζε φιεο ηηο εθαξκνγέο αηνιηθψλ ζπζηεκάησλ είηε κεκνλσκέλσλ πνπ μεθηλνχλ απφ κεξηθέο εθαηνληάδεο kw κέρξη ηεο ηάμεο ησλ 5 MW είηε αηνιηθψλ πάξθσλ κε ηζρχ απφ κεξηθέο δεθάδεο MW έσο εθαηνληάδεο MW. Μάιηζηα επεηδή ζηα κεγάια αηνιηθά πάξθα πνπ ζπλδένληαη κε ην δίθηπν, θαη θπξίσο ηα ππεξάθηηα, ε απνθιεηζηηθή ζρεδφλ ηερλνινγία πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γίλεηαη κέζσ θαηάιιεισλ ac/dc/ac δηαζπλδέζεσλ πνπ πεξηιακβάλνπλ ηξηθαζηθνχο κεηαηξνπείο ηζρχνο κε IGBT γηα ηνλ έιεγρν ηεο παξαγφκελεο πξαγκαηηθήο αιιά θαη αέξγνπ ηζρχνο, ην ζχζηεκα πνπ αλαιχζεθε είλαη έλα θιαζηθφ ζχζηεκα πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζηηο πεξηπηψζεηο απηέο ελψ είλαη εχθνια επεθηάζηκν θαη γηα ηελ πεξίπησζε κεγάινπ αηνιηθνχ πάξθνπ. Απνηειείηαη απφ αλεκνθηλεηήξα ηξηψλ πηεξπγίσλ πνπ νδεγεί ηξηθαζηθή επαγσγηθή γελλήηξηα βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ ηζρχνο 2 MW θαη ε νπνία ζπλδέεηαη πξνο ην δίθηπν κέζσ dc δηαζχλδεζεο κε πιήξσο ειεγρφκελνπο κεηαηξνπείο ηζρχνο κε IGBT ζηνηρεία. Γηα ηελ πξαγκαηνπνίεζε ηνπ ζηφρνπ ηεο δηαηξηβήο θαη αξρήλ αλαιχζεθαλ νη κέζνδνη πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζήκεξα ζηνλ έιεγρν ηεο πξαγκαηηθήο ηζρχνο θαη ηεο κεγηζηνπνίεζεο ηεο. Ο έιεγρνο απηφο βαζίδεηαη ζηελ πξνζαξκνγή ηεο ηαρχηεηαο ηεο αλεκνγελλήηξηαο ζηελ βέιηηζηε ηηκή πνπ επηηξέπεη ηελ κέγηζηε απνκάζηεπζε ηζρχνο γηα θάζε εκθαληδφκελε ηαρχηεηα αέξα. Ο έιεγρνο απηφο ρξεζηκνπνηεί ηελ ηερληθή ηνπ δηαλπζκαηηθνχ ειέγρνπ, κηα ηδηαίηεξα πνιχπινθε θαη απαηηεηηθή ηερληθή, ε νπνία πινπνηείηαη κε νινθιεξσηηθνχο-αλαινγηθνχο (PI) ειέγρνπο ζηνπο κεηαηξνπείο πνπ βξίζθνληαη ζηελ πιεπξά ηεο κεραλήο θαη πνπ απαηηεί ηνλ κεηαζρεκαηηζκφ ηνπ ηξηθαζηθνχ ζπζηήκαηνο ζε ζηξεθφκελν ζχζηεκα αλαθνξάο δχν θάζεησλ αμφλσλ πνπ είλαη πξνζαλαηνιηζκέλν πάλσ ζηελ εκθαληδφκελε ξνή ηνπ δξνκέα. Δθηφο απφ ηελ πνιππινθφηεηα, βαζηθφ κεηνλέθηεκα ηεο κεζφδνπ απηήο είλαη ε εμάξηεζε ηεο απφ ηελ αθξίβεηα ησλ ηηκψλ ησλ παξακέηξσλ ηνπ ζπζηήκαηνο, ελψ ζηε βηβιηνγξαθία πνπζελά δελ αλαθέξεηαη θάπνηα αλάιπζε επζηάζεηαο ηνπ ζπζηήκαηνο. Οπνηαδήπνηε αζηνρία ζηελ αθξίβεηα ησλ ηηκψλ απηψλ, πξάγκα πνπ ζπρλά ζπκβαίλεη ιφγσ ππεξθφξηηζεο ή αιιαγήο ηεο ζεξκνθξαζίαο, νδεγεί ζε ζπλνιηθή αζηνρία ηνπ ειέγρνπ θαη κε επίηεπμε ηνπ ζηφρνπ ηεο κέγηζηεο απνκάζηεπζεο ηζρχνο. Απφ ηελ άιιε πιεπξά ηεο ζχλδεζεο πξνο ην δίθηπν δίλεηαη ε δπλαηφηεηα κέζσ ησλ ειέγρσλ ηνπ κεηαηξνπέα (ειεγθηέο PI) πνπ βξίζθνληαη ζην ζεκείν ζχλδεζεο λα ξπζκίδεηαη θαη αξρήλ ε ηάζε ζηε dc δηαζχλδεζε ζε ζηαζεξή ηηκή αλεμάξηεηα πξνο ηε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο ηνπ ζπζηήκαηνο θαη δεπηεξεπφλησο ε άεξγνο ηζρχο πνπ εγρχεηαη ζην 18

24 δίθηπν. Ζ ζπλήζεο πξαθηηθή ζέιεη ην ζχζηεκα λα ιεηηνπξγεί κε ζπληειεζηή ηζρχνο κνλάδα, ρσξίο απηφ λα απνθιείεη θαη νπνηαδήπνηε άιιε επηζπκεηή ξχζκηζε. Καη ζε απηή ηελ πιεπξά, ε ζρεδίαζε βαζίδεηαη ζηε ινγηθή αλάιπζεο ηνπ κεηαζρεκαηηζκνχ ηνπ ηξηθαζηθνχ ζπζηήκαηνο ζε ζχζηεκα αλαθνξάο θάζεησλ αμφλσλ, πνπ φκσο δελ απαηηεί δχζθνινπο πξνζαλαηνιηζκνχο θαη είλαη εχθνια πινπνηήζηκνο. ην δεχηεξν απηφ κέξνο ηεο δηαηξηβήο, επηηεχρζεθε βειηίσζε ηνπ ειέγρνπ γηα ηε βέιηηζηε απνκάζηεπζε ηζρχνο. Πην ζπγθεθξηκέλα, ζηνλ έιεγρν ζην κεηαηξνπέα ζηελ πιεπξά ηεο γελλήηξηαο έγηλε απινπνίεζε ηνπ δηαλπζκαηηθνχ ειέγρνπ. Ο πξνηεηλφκελνο έιεγρνο ελψ ρξεζηκνπνηεί ηα πιενλεθηήκαηα ηνπ δηαλπζκαηηθνχ ειέγρνπ δελ απαηηεί ηελ ζπλερή εχξεζε πξνζαλαηνιηζκνχ, πνπ είλαη κηα πνιχ δχζθνιε δηαδηθαζία. Δπηπιένλ, δφζεθε ε δπλαηφηεηα γηα δχν δηαθνξεηηθέο πεξηπηψζεηο ειέγρνπ. ηελ πξψηε πεξίπησζε ε κεραλή πξνζηδηάδεη ζηελ κεραλή ζπλερνχο ξεχκαηνο κε μέλε δηέγεξζε θαη ζηε δεχηεξε ζηε κεραλή ζπλερνχο ξεχκαηνο κε δηέγεξζε ζε ζεηξά. Οη ζπγθξίζεηο ησλ απνηειεζκάησλ κε άιιεο αληίζηνηρεο αλαιχζεηο έδεημαλ ηελ θαιή ιεηηνπξγία θαη απφθξηζε ηνπ ζπζηήκαηνο κε ρξήζε ησλ πξνηεηλφκελσλ ιχζεσλ. Μάιηζηα γηα ηε δεχηεξε πεξίπησζε ζα πξέπεη λα ηνληζηεί ε κεγάιε βειηίσζε ζηελ απφθξηζε πνπ επηηπγράλεηαη. ηνλ πξνηεηλφκελν έιεγρν ζηνλ κεηαηξνπέα απφ ηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ, ηψξα ε βειηηζηνπνίεζε έγθεηηαη ζηελ απινχζηεπζε ηνπ ειέγρνπ αθνχ απνδείρηεθε φηη δελ είλαη απαξαίηεηε πιένλ ε παξνπζία ησλ ρηαζηί φξσλ. Οη πξνζνκνηψζεηο πνπ έγηλαλ αθνξνχλ ζελάξηα πξαγκαηηθήο ιεηηνπξγίαο, δειαδή ιεηηνπξγίαο κε ηαπηφρξνλε κεηαβνιή ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ θαη ηεο ξνπήο ζηξέςεο. χκθσλα κε ηα απνηειέζκαηα ηεο πξνζνκνίσζεο απνδείρζεθε ε θαιή ιεηηνπξγία θαη ησλ δχν πξνηεηλφκελσλ ζρεκάησλ ειέγρνπ. Πην ζπγθεθξηκέλα ζηελ πξψηε πεξίπησζε ηα απνηειέζκαηα ήηαλ ηνπιάρηζηνλ εμίζνπ θαιά κε απηά ηνπ θιαζηθνχ δηαλπζκαηηθνχ ειέγρνπ, ελψ ζηε δεχηεξε πεξίπησζε νη απνθξίζεηο είλαη εμαηξεηηθά γξεγνξφηεξεο θαη βειηησκέλεο (γηα αθξηβψο ίδηεο ηηκέο παξακέηξσλ ησλ ειεγθηψλ), φπσο θαη ήηαλ θαη αλακελφκελν κηαο θαη ζε απηή ηελ πεξίπησζε ην ζχζηεκα καο πξνζηδηάδεη ζηε ιεηηνπξγία ηεο κεραλήο ζπλερνχο ξεχκαηνο κε δηέγεξζε ζε ζεηξά. Έηζη, ν ζηφρνο ηεο βέιηηζηεο απνκάζηεπζεο ηζρχνο θαίλεηαη φηη επηηπγράλεηαη πιήξσο θαη ζηα δχν ζρήκαηα κε ζζελαξφηεηα θαη επηζπκεηή ηαρχηεηα απφθξηζεο επηβεβαηψλνληαο ηελ ζεσξεηηθή αλάιπζε. 1.4 Κύξηα ζπκβνιή θαη πξσηνηππία ηεο δηαηξηβήο Ζ θχξηα ζπκβνιή ηεο δηαηξηβήο έγθεηηαη ζην φηη: Έρεη αλαπηπρζεί έλα πξσηφηππν, απιφ θαη εχρξεζην εξγαιείν, ην νπνίν δίλεη ην βέιηηζην αξηζκφ θαζψο θαη ηελ βέιηηζηε ηνπνζέηεζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ελφο αηνιηθνχ πάξθνπ γηα ζπγθεθξηκέλε επηθάλεηα. αλ θξηηήξην βειηηζηνπνίεζεο ρξεζηκνπνηείηαη κηα ζπλάξηεζε ε νπνία ηειηθά πξνζδηνξίδεη ηε κέγηζηε δπλαηή παξαγσγή θαη ην ειάρηζην θφζηνο ππφ ηνπο ηηζέκελνπο ηερληθνχο θαη άιινπο πεξηνξηζκνχο. Ζ πξνηεηλφκελε κεζνδνινγία έρεη απνδεηρηεί φηη έρεη επηηχρεη πνιχ θαιχηεξα απνηειέζκαηα απφ άιιεο αλάινγεο θαη ζπγθξίζηκεο κε απηή κεζφδνπο πνπ έρνπλ αλαπηπρζεί απφ άιινπο εξεπλεηέο. 19

25 Έρεη αλαιπζεί κε ιεπηνκεξή θαη αθξηβή ηξφπν ην κε γξακκηθφ ειεθηξνκεραληθφ ζχζηεκα αλεκνγελλήηξηαο αζχγρξνλεο κεραλήο κεηαβιεηψλ ζηξνθψλ ζπκπεξηιακβαλνκέλσλ ησλ PI ειεγθηψλ ηνπ θαη έρνπλ πξνηαζεί ζεκαληηθέο απινπνηήζεηο ζηε δνκή ηνπ ζρήκαηνο ηνπ ειέγρνπ ηεο πξαγκαηηθήο ηζρχνο. Οη ιχζεηο πνπ πξνηείλνληαη είλαη πξσηφηππεο θαη νδεγνχλ ζε ζεκαληηθή απινχζηεπζε ζηελ πινπνίεζε ηνπο ελψ ηαπηφρξνλα επηηπγράλνπλ ζεκαληηθέο βειηηψζεηο ζε ζρέζε κε ηνπο ππάξρνληεο θαη έρνπλ λα θάλνπλ κε ηε γξήγνξε απφθξηζε ηνπ ζπζηήκαηνο θαη ηελ πξνζαξκνγή ηνπ ζηελ απαίηεζε ηεο κέγηζηεο απνκάζηεπζεο πξαγκαηηθήο ηζρχνο. Γεληθφηεξα, ζην ζχλνιν ηεο, ε παξνχζα δηαηξηβή πξνηείλεη έλαλ νινθιεξσκέλν ηξφπν βέιηηζηνπ ζρεδηαζκνχ ελφο αηνιηθνχ ζπζηήκαηνο/πάξθνπ κε ζθνπφ ηελ επίηεπμε ηεο κέγηζηεο παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. 20

26 Κεθάιαην 2 Αηνιηθή ελέξγεηα θαη αλεκνγελλήηξηεο 2.1 Δηζαγσγή Πεξηβαιινληηθνί θπξίσο ιφγνη, έρνπλ επηβάιιεη ηα ηειεπηαία ρξφληα κηα κεγάιε αχμεζε ζηνλ αξηζκφ ησλ εγθαηεζηεκέλσλ αλεκνγελλεηξηψλ παγθφζκηα. Παξάιιεια, έρεη ζεκαληηθά εμειηρζεί θαη ε ηερλνινγία πνπ αθνξά ζηα αηνιηθά ζπζηήκαηα είηε πξφθεηηαη γηα κεκνλσκέλεο αλεκνγελλήηξηεο είηε γηα κηθξά ή κεγάια αηνιηθά πάξθα. ηελ Διιάδα κέρξη ην ηέινο ηνπ 2009 είραλ ηνπνζεηεζεί αλεκνγελλήηξηεο πνπ αληηζηνηρνχζαλ ζε 1087 MW εγθαηεζηεκέλεο ηζρχνο, ε νπνία κπνξεί λα ζεσξεζεί φηη είλαη πνιχ ιίγε ζπγθξηλφκελε κε αληίζηνηρεο πνπ εκθαλίδνπλ άιιεο Δπξσπατθέο ρψξεο θαη φηαλ ε ζπλνιηθή εγθαηεζηεκέλε ηζρχο ζηελ Δπξψπε θηάλεη ηα MW [1]. ε απηφ ην θεθάιαην ζα παξνπζηαζηνχλ θάπνηα αλαγθαία γηα ηε ζπλέρεηα ζηνηρεία γηα ηελ αηνιηθή ελέξγεηα θαη ηνπο θχξηνπο ηχπνπο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη. Θα πεξηγξαθνχλ επίζεο ηα βαζηθά πιενλεθηήκαηα ησλ αλεκνγελλεηξηψλ λέαο ηερλνινγίαο πνπ βαζίδνληαη ζηε ρξήζε κεραλψλ κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο, θαη πνπ απνηεινχλ ζήκεξα ηελ θαζηεξσκέλε ιχζε ζηηο αηνιηθέο εθαξκνγέο. 21

27 2.2 Άλεκνο Οη άλεκνη απνηεινχλ θίλεζε αέξηαο κάδαο ζηελ αηκφζθαηξα πνπ πξνθαιείηαη απφ ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία. Δηδηθφηεξα είλαη απνηέιεζκα ησλ ζεξκνθξαζηαθψλ δηαθνξψλ πνπ δεκηνπξγνχληαη ζηελ αηκφζθαηξα είηε ιφγσ γεσγξαθηθνχ πιάηνπο είηε ιφγσ δηαθνξεηηθήο ζεξκνθξαζίαο ηεο επηθάλεηαο ηεο γεο. Οη δηαθνξεηηθέο γεσγξαθηθέο ζεξκνθξαζίεο νθείινληαη ζε δχν θπξίσο παξάγνληεο: α) ηελ πςνκεηξηθή δηαθνξά κεηαμχ δχν ζεκείσλ θαη β) ηελ δηαθνξεηηθή θχζε ηεο επηθάλεηαο (έδαθνο ή λεξφ). Οη άλεκνη πνπ δεκηνπξγνχληαη ιφγσ δηαθνξεηηθνχ γεσγξαθηθνχ πιάηνπο είλαη θαηλφκελα ζρεδφλ ζηαζεξά ή κεηαβιεηά κε κεγάιε πεξίνδν κεηαβνιήο (επνρηθά) θαζψο επεξεάδνληαη απφ ηελ πεξηζηξνθή ηεο γεο γχξσ απφ ηνλ άμνλά ηεο. Οη άλεκνη πνπ νθείινληαη ζηνλ δεχηεξν παξάγνληα ραξαθηεξίδνληαη απφ κηθξή ρξνληθή δηάξθεηα (σξηαία ή εκεξήζηα) θαη παξαηεξνχληαη είηε θνληά ζε νξεηλνχο φγθνπο είηε ζε πεξηνρέο θνληά ζε ζάιαζζα φπνπ ππάξρεη δηαθνξεηηθφο βαζκφο ζέξκαλζεο ή ςχμεο ηνπ εδάθνπο θαη ηνπ πδάηηλνπ φγθνπ. 2.3 Αηνιηθή Δλέξγεηα Ζ αηνιηθή ελέξγεηα είλαη κηα αλαλεψζηκε πεγή ελέξγεηαο, κηα θαζαξή ήπηα κνξθή ελέξγεηαο, ε νπνία δελ κνιχλεη ην πεξηβάιινλ θαη δελ ζπκβάιιεη φπσο άιιεο ζπκβαηηθέο πεγέο κε ηα θαπζαέξηα ζην θαηλφκελν ηνπ ζεξκνθεπίνπ. Δπηπξφζζεηα, είλαη κηα αλεμάληιεηε κνξθή ελέξγεηαο. Ζ δχλακε ηνπ αλέκνπ εθηηκήζεθε θαη ρξεζηκνπνηήζεθε απφ ηνπο αλζξψπνπο απφ πνιχ λσξίο. Τπάξρνπλ αλαθνξέο γηα ηε ρξήζε αλεκνθηλεηήξσλ ζηε Πεξζία αθφκα θαη απφ ην 200 π.υ. Ωζηφζν νη πξψηνη αλεκνθηλεηήξεο πνπ είραλ πξαθηηθέο εθαξκνγέο θαηαζθεπάζηεθαλ ζην ίζηαλ, κηα πεξηνρή αλάκεζα ζην ζεκεξηλφ Αθγαληζηάλ θαη Ηξάλ, θαηά ηνλ 7ν αηψλα. Οη αλεκφκπινη απηνί ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ άιεζε ηνπ θαιακπνθηνχ θαη γηα ηελ άληιεζε λεξνχ. Καηά ηνλ 14ν αηψλα ζηελ Οιιαλδία, αλεκφκπινη ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ απνμήξαλζε πεξηνρψλ ζην πνηακφ Ρήλν. Ήδε ην 1900 ζηε Γαλία ππήξραλ πεξηζζφηεξνη απφ 2500 αλεκνθηλεηήξεο γηα κεραληθά θνξηία, φπσο αληιίεο θαη κχινη. Με ηελ πάξνδν ησλ ρξφλσλ φκσο πεξάζακε απφ ηελ επνρή ησλ απιψλ αλεκνθηλεηήξσλ ζηελ επνρή ησλ αλεκνθηλεηήξσλ - αλεκνγελλεηξηψλ θαη ηελ παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ απηέο. Ζ πξψηε γλσζηή αλεκνγελλήηξηα πνπ ιεηηνχξγεζε, ήηαλ κηα κεραλή θφξηηζεο κπαηαξίαο, πνπ εγθαηαζηάζεθε ην 1887 απφ ηνλ James Blyth ζηε θσηία. Ζ πξψηε αλεκνγελλήηξηα γηα ηελ παξαγσγή ελέξγεηαο ιεηηνχξγεζε ην 1888 ζην Κιήβειαλη ηνπ Οράην απφ ηνλ Charles F. Brush. Ήδε ην 1908 ππήξραλ εγθαηεζηεκέλεο 72 αλεκνγελλήηξηεο απφ 5 έσο 25 kw. Οη κεγαιχηεξεο απφ απηέο ηηο κεραλέο είραλ 24 κέηξα πχξγν θαη είραλ 4 πηεξχγηα ησλ νπνίσλ ε δηάκεηξνο ήηαλ 23 κέηξα. ηε δεθαεηία ηνπ 1930 νη αλεκνγελλήηξηεο ζε θάξκεο ήηαλ κηα πνιχ ζπλεζηζκέλε εηθφλα γηα ηηο Ζλσκέλεο Πνιηηείεο ζηηο νπνίεο ην ειεθηξηθφ δίθηπν δελ ήηαλ αθφκα αξθεηά εμαπισκέλν. Οη αλεκνγελλήηξηεο απηέο είραλ θάζεην άμνλα. Έλαο απφ ηνπο πξψηνπο πξφγνλνπο ησλ κνληέξλσλ αλεκνγελλεηξηψλ νξηδφληηνπ άμνλα πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζήκεξα κπήθε ζε ιεηηνπξγία ζηε Γηάιηα ηεο πξψελ νβηεηηθήο Έλσζεο ην Ζ αλεκνγελλήηξηα απηή ήηαλ 100 kw θαη ζπλδέζεθε κε ην ηνπηθφ δίθηπν ησλ 6.3 kv. Ζ πξψηε αλεκνγελλήηξηα ηεο ηάμεο ηνπ κεγαβάη εγθαηαζηάζεθε ζην Βέξκνλη ην 1941, αλ θαη κπφξεζε λα δνπιέςεη κφλν γηα 1100 ψξεο [2]. 22

28 Οη αλεκνγελλήηξηεο δελ παξάγνπλ νχηε CO 2, νχηε νμείδηα ηνπ αδψηνπ, αιιά νχηε θαη νμείδηα ηνπ ζεηνπ, ελψ παξάιιεια δελ απαηηνχλ κεγάιεο πνζφηεηεο ελέξγεηαο γηα ηελ ζπλνιηθή θαηαζθεπή θαη ιεηηνπξγία ηε δηθή ηνπο θαη ησλ πάξθσλ. Δίλαη γεγνλφο πσο ζε έλα κέζν αηνιηθφ πάξθν, κηα αλεκνγελλήηξηα ζα έρεη απνζβέζεη φιε ηελ ελέξγεηα πνπ έρεη ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηελ θαηαζθεπή, εγθαηάζηαζε θαη ιεηηνπξγία ηεο ζε δηάζηεκα κηθξφηεξν ησλ 3 κελψλ [3]. Με έλα κέζν ρξφλν δσήο γχξσ ζηα 20 ρξφληα, απηφ καο δίλεη κηα απφδνζε θνληά ζην 8000%, νπφηε πξνθαλψο απνδίδεη πεξίπνπ 80 θνξέο ηελ ελέξγεηα ε νπνία δαπαλήζεθε γηα απηή [3]. Φπζηθά γηα ππεξάθηηα πάξθα ηα απνηειέζκαηα είλαη αθφκα θαιχηεξα κηαο θαη νη αλεκνγελλήηξηεο έρνπλ κεγαιχηεξν πξνζδνθψκελν ρξφλν δσήο. Ο ρξφλνο δσήο απηψλ ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ππνινγίδεηαη ζηα ρξφληα. Έλα είλαη ην θχξην κεηνλέθηεκα ηεο αηνιηθήο ελέξγεηαο, ε αβεβαηφηεηα ζηελ εκθάληζε ηνπ αλέκνπ. ηα κεγάια ειεθηξηθά δίθηπα, νη απαηηήζεηο ησλ θαηαλαισηψλ πνηθίινπλ θαη γηα ην ιφγν απηφ πξέπεη λα ππάξρνπλ κεγάιεο εθεδξείεο ελέξγεηαο γηα θάπνηα πεξίπησζε πνπ ζα ππάξμνπλ κεγάιεο αηρκέο δήηεζεο ή θάπνηα κεγάιε κνλάδα ηεζεί εθηφο ιεηηνπξγίαο. Οπφηε, ην πξφβιεκα πνπ εηζάγνπλ νη αλεκνγελλήηξηεο είλαη φηη δελ κπνξνχκε λα αλακέλνπκε ζηαζεξή παξαγσγή ελέξγεηαο απφ απηέο. Έλα δεχηεξν κεηνλέθηεκα είλαη ην γεγνλφο φηη νη αλεκνγελλήηξηεο εηζάγνπλ δηαθπκάλζεηο ζην δίθηπν. Βέβαηα φζν πεξηζζφηεξεο αλεκνγελλήηξηεο έρνπκε ζην δίθηπν, ηφζν κηθξφηεξεο είλαη απηέο νη δηαθπκάλζεηο θαη ηφζν πην ζηαζεξή είλαη ε αλακελφκελε παξαγσγή ελέξγεηαο. ηηο πεξηζζφηεξεο ζέζεηο αηνιηθψλ πάξθσλ ζηνλ θφζκν, ε ηαρχηεηα ηνπ αέξα έρεη κεγάιεο κεηαβνιέο. Γηα ηελ αθξίβεηα, κεγάιεο ηαρχηεηεο δελ εκθαλίδνληαη ηφζν ζπρλά, ελψ ηνλ πεξηζζφηεξν θαηξφ ππάξρνπλ ρακειέο ηηκέο ηαρπηήησλ. Δπηπξφζζεηα, ζηελ Δπξψπε παξαδείγκαηνο ράξε, αιιά θαη ζε κεξηθά άιια κέξε ηνπ θφζκνπ, ε ηαρχηεηα θαη πνζφηεηα ηνπ αλέκνπ έρεη βξεζεί φηη βξίζθεηαη ζε θαιφ ζπγρξνληζκφ κε ηελ κέγηζηε θαηαλάισζε ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Ηζρπξφηεξνο θαη δηαξθέζηεξνο άλεκνο εκθαλίδεηαη ζηε δηάξθεηα ηεο κέξαο ζε ζρέζε κε ηε λχρηα, ην ίδην ηζρχεη ην ρεηκψλα ζε ζρέζε κε ην θαινθαίξη, απμάλνληαο ηελ ζπλεηζθνξά ηνπ αλέκνπ ζην δίθηπν θαηά % γηα ηηο αληίζηνηρεο πεξηφδνπο [4]. 2.4 Η Αηνιηθή Δλέξγεηα ζηελ Δπξώπε Ο Δπξσπατθφο Οξγαληζκφο Αηνιηθήο Δλέξγεηαο (EWEA) είρε ζέζε ζαλ ζηφρν ηα 60 GW εγθαηεζηεκέλεο ηζρχνο γηα ην Πξνθαλψο ν ζπγθεθξηκέλνο ζηφρνο φπσο αλαθέξζεθε θαη λσξίηεξα είρε ήδε μεπεξαζηεί ζην ηέινο ηνπ Ο ζηφρνο απηφο ηέζεθε ην 2000 θαη ελ ηέιεη απνδείρηεθε πσο απνηεινχζε κηα πνιχ ζπληεξεηηθή εθηίκεζε. Σν ίδην είρε ζπκβεί θαη ζηε ζέζπηζε ησλ 2 πξνεγνπκέλσλ ζηφρσλ ην 1991 (25 GW) θαη ην 1997 (40 GW), φπνπ θαη πάιη ν πήρεο είρε ηεζεί κάιινλ ρακειά. Ο πηλάθαο 2.1 δείρλεη ηελ εγθαηεζηεκέλε αηνιηθή ελέξγεηα γηα δηάθνξεο ρψξεο ηεο Δπξψπεο [1]. 23

29 Πίλαθαο 2.1 Δγθαηεζηεκέλε αηνιηθή ελέξγεηα ζηηο ρψξεο ηεο Δπξψπεο [1] 2.5 Αλεκνγελλήηξηεο Οη αλεκνγελλήηξηεο θαηαζθεπάζηεθαλ κε ζθνπφ ηελ εθκεηάιιεπζε ηεο θηλεηηθήο ελέξγεηαο ηνπ αλέκνπ κε ζθνπφ ηελ παξαγσγή ελέξγεηαο. Ζ αηνιηθή ελέξγεηα κεηαηξέπεηαη ζηελ αλεκνγελλήηξηα ζηελ αξρή ζε κεραληθή θαη ζηε ζπλέρεηα ζε ειεθηξηθή ελέξγεηα. Ζ ηερλνινγία ησλ αλεκνγελλεηξηψλ είλαη ζπλερψο εμειηζζφκελε κε απνηέιεζκα ηε δεκηνπξγία ζπλερψο κεγαιχηεξσλ αλεκνγελλεηξηψλ φζνλ αθνξά ζηελ ηζρχ αιιά θαη ην κέγεζνο. ην ζρήκα 2.1 θαίλεηαη ε πξφνδνο θαη ε εμέιημε ηεο ηερλνινγίαο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζηελ πάξνδν ησλ ρξφλσλ. 24

30 ρήκα 2.1 Δμέιημε ηνπ κεγέζνπο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ [1] Ζ κνξθή ησλ αλεκνγελλεηξηψλ έρεη πεξάζεη απφ πνιιά ζηάδηα ζηελ πάξνδν ησλ ρξφλσλ. Πξηλ θηάζνπκε ζηε θιαζηθή κνξθή ησλ αλεκνγελλεηξηψλ πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζήκεξα. ρεδφλ ζε φιεο ηηο αλεκνγελλήηξηεο έρνπλ δνθηκαζηεί πνιιέο δηαθνξεηηθέο ιχζεηο θαη φζνλ αθνξά ζηνλ αξηζκφ ησλ πηεξπγίσλ αιιά θαη ηνλ πξνζαλαηνιηζκφ ηνπ άμνλα. Οη δχν βαζηθέο θαηεγνξίεο αλεκνγελλεηξηψλ δηαθξίλνληαη αλάινγα πξνο ηνλ πξνζαλαηνιηζκφ ηνπ άμνλα ηνπο ζε ζρέζε κε ηελ ξνή ηνπ αλέκνπ ζε αλεκνγελλήηξηεο θαηαθφξπθνπ θαη νξηδφληηνπ άμνλα Αλεκνγελλήηξηεο θαηαθόξπθνπ άμνλα Οη αλεκνγελλήηξηεο θαηαθφξπθνπ άμνλα έρνπλ ηνλ άμνλα πεξηζηξνθήο ηνπο θάζεην σο πξνο ην έδαθνο θαη θαηαθφξπθν σο πξνο ηε ξνή ηνπ αλέκνπ. Πιενλέθηεκα απηήο ηεο δηάηαμεο είλαη, φηη ε κεραλή δελ ρξεηάδεηαη λα πξνζαλαηνιίδεηαη πξνο ηνλ άλεκν γηα λα είλαη απνηειεζκαηηθή, δειαδή κπνξεί λα πεξηζηξέθεηαη απφ άλεκν πνπ έξρεηαη απφ θάζε θαηεχζπλζε θάζε ζηηγκή, νπφηε δελ απαηηείηαη κεραληζκφο πξνζαλαηνιηζκνχ. Σν γεγνλφο απηφ δίλεη πιενλέθηεκα ζε κέξε πνπ ππάξρεη κεγάιε κεηαβιεηφηεηα ζηελ θαηεχζπλζε ηνπ αλέκνπ. Ζ ειεθηξηθή γελλήηξηα ζε απηέο ηηο κεραλέο κπνξεί λα ηνπνζεηεζεί θνληά ζην έδαθνο, θάηη πνπ ζπλεπάγεηαη κηα απιή θαη νηθνλνκηθή ζρεδίαζε γηα ηνλ πχξγν. Δπίζεο είλαη εχθνια πξνζβάζηκα ζπζηήκαηα θαη πνιιέο θνξέο δελ ρξεηάδεηαη ππιψλαο ζηήξημεο. εκαληηθφ επίζεο γεγνλφο είλαη φηη ζε απηέο ηηο κεραλέο ν έιεγρνο βήκαηνο πηεξπγίνπ δελ είλαη απαξαίηεηνο φηαλ ρξεζηκνπνηνχληαη κε ζχγρξνλε γελλήηξηα. Τπάξρνπλ φκσο θαη θάπνηα ζνβαξά κεηνλεθηήκαηα πνπ δελ θάλνπλ ηηο αλεκνγελλήηξηεο θαηαθφξπθνπ άμνλα ηφζν ιεηηνπξγηθέο. Σν θπξηφηεξν πξφβιεκα είλαη φηη πνιιέο θνξέο δελ είλαη δπλαηφλ λα μεθηλήζνπλ λα πεξηζηξέθνληαη ρσξίο εμσηεξηθή παξέκβαζε, κηαο θαη ε ξνπή εθθίλεζεο ηνπο είλαη πάξα πνιχ πςειή. ηε πεξίπησζε απηή ππνρξεσηηθά πξέπεη λα ιεηηνπξγήζνπλ ζηελ αξρή ζαλ θηλεηήξεο ηξαβψληαο ξεχκα απφ ην δίθηπν. Δπίζεο ζεκαληηθφ είλαη ην γεγνλφο πσο έρνπλ κηθξή ζρεηηθά απφδνζε κηαο θαη ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ ζε απηά ηα χςε είλαη ζρεηηθά ρακειή θαη επίζεο θαηά ηελ πεξηζηξνθή ηνπο, ππάξρνπλ ζεκεία ζηα νπνία ε ζπλεηζθνξά ηνπ αλέκνπ είλαη ζρεδφλ κεδεληθή. Οη πην γλσζηνί ηχπνη αλεκνγελλεηξηψλ θαηαθφξπθνπ άμνλα είλαη νη αλεκνγελλήηξηεο ηχπνπ Darrieus θαη Savonius. ηηο εηθφλεο 2.1 θαη 2.2 θαίλνληαη αληίζηνηρα ραξαθηεξηζηηθά παξαδείγκαηα απηψλ ησλ δχν ηχπσλ αλεκνγελλεηξηψλ. 25

31 Δηθφλα 2.1 Αλεκνγελλήηξηα ηχπνπ Darrieus [2] Δηθφλα 2.2 Αλεκνγελλήηξηα ηχπνπ Savonius [2] Αλεκνγελλήηξηεο νξηδόληηνπ άμνλα Οη αλεκνγελλήηξηεο νξηδφληηνπ άμνλα έρνπλ ηνλ άμνλα πεξηζηξνθήο ηνπο νξηδφληην σο πξνο ην έδαθνο θαη ζρεδφλ παξάιιειν ζηε ξνή ηνπ αλέκνπ. Απηή ηε ζηηγκή παγθφζκηα νη αλεκνγελλήηξηεο νξηδφληηνπ άμνλα θαηέρνπλ ην ζπληξηπηηθφ κεξίδην ηεο αγνξάο. 26

32 Πνιχ ζεκαληηθά πιενλεθηήκαηα, πνπ θάλνπλ ηφζν δεκνθηιή απηνχ ηνπ ηχπνπ ηηο αλεκνγελλήηξηεο, είλαη φηη δελ ρξεηάδνληαη πνιχ πςειέο ηαρχηεηεο αλέκνπ γηα λα μεθηλήζνπλ λα πεξηζηξέθνληαη, φπνηε θαη κε πνιχ κηθξέο ηαρχηεηεο αλέκνπ κπνξνχκε λα έρνπκε ηθαλνπνηεηηθά απνηειέζκαηα. Έλα αθφκα πνιχ ζεκαληηθφ πιενλέθηεκα είλαη φηη εκθαλίδνπλ πςειφ αεξνδπλακηθφ ζπληειεζηή, ελψ είλαη εχθνιε ε ζπλαξκνιφγεζε ηνπο. Σν κεγάιν κεηνλέθηεκα ησλ αλεκνγελλεηξηψλ νξηδφληηνπ άμνλα είλαη φηη ε γελλήηξηα θαη ην θηβψηην ηαρπηήησλ πξέπεη λα ηνπνζεηεζνχλ πάλσ ζην πχξγν, γεγνλφο πνπ θάλεη ηελ θαηαζθεπή ηνπο αθξηβή θαη πην δχζθνιε. Δπίζεο ζε ζρέζε πξνο ηηο αλεκνγελλήηξηεο θάζεηνπ άμνλα, εδψ ρξεηάδεηαη ελεξγφο κεραληζκφο πεξηζηξνθήο ή ζπλεζέζηεξα έλα νπξηαίν πηεξχγην γηα ηνλ πξνζαλαηνιηζκφ ζηελ θαηεχζπλζε ηνπ αλέκνπ. Οη αλεκνγελλήηξηεο νξηδφληηνπ άμνλα ραξαθηεξίδνληαη θαη θαηεγνξηνπνηνχληαη κε βάζε ησλ αξηζκφ ησλ πηεξπγίσλ ηνπο. Οη αλεκνγελλήηξηεο κε έλα πηεξχγην νλνκάδνληαη κνλνπηέξπγεο, κε δχν δηπηέξπγεο, κε ηξία ηξηπηέξπγεο θαη φιεο νη άιιεο κε πεξηζζφηεξα πηεξχγηα απφ ηξία νλνκάδνληαη πνιππηέξπγεο. Οη κνλνπηέξπγεο αλ θαη είλαη θζελφηεξεο φισλ, δελ απφθηεζαλ πνηέ κεγάιε δεκνθηιία, είηε γηα αηζζεηηθνχο ιφγνπο, είηε ιφγσ πξνβιεκάησλ ζηε εμηζνξξφπεζε δπλάκεσλ ηεο φιεο θαηαζθεπήο θαηά ηελ πεξηζηξνθή ηνπο, γεγνλφο πνπ θάλεη απαξαίηεηε ηελ ηνπνζέηεζε αληίβαξνπ ζηελ πιήκλε. Παξφκνηα πξνβιήκαηα εκθαλίδνπλ θαη νη δηπηέξξγεο αλεκνγελλήηξηεο αλ θαη εθεί ηα πξάγκαηα είλαη ζαθψο θαιχηεξα. ήκεξα ε ζπληξηπηηθή πιεηνςεθία ησλ αλεκνγελλεηξηψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζηελ αγνξά είλαη νη ηξηπηέξπγεο. Σν βαζηθφ ηνπο πιενλέθηεκα είλαη φηη είλαη πην ζηαζεξέο κηαο θαη ην αεξνδπλακηθφ θνξηίν θαηαλέκεηαη νκνηφκνξθα ελψ θαη ην κεραληθφ εμηζνξξνπείηαη. Δθαξκνγέο κε κεγαιχηεξν αξηζκφ πηεξχγσλ (6,8,12 θ.α.) έρνπλ πινπνηεζεί θαηά θαηξνχο. Ο ιφγνο κεηαμχ ηνπ ζπλνιηθνχ εκβαδνχ ησλ πηεξχγσλ πξνο ηελ επηθάλεηα ζάξσζεο νλνκάδεηαη ζηηβαξφηεηα. Οη κεραλέο κε κεγάιν αξηζκφ πηεξχγσλ πξνηηκψληαη ζε εθαξκνγέο πνπ απαηηείηαη κεγάιε ξνπή εθθίλεζεο, γηαηί έρνπλ ηελ ηδηφηεηα λα κπνξνχλ λα μεθηλνχλ λα πεξηζηξέθνληαη επθνιφηεξα (κεγαιχηεξε επηθάλεηα αιιειεπηδξά κε ηνλ άλεκν αξρηθά). Παξφια απηά ε ηζρχο πνπ παξάγνπλ είλαη κάιινλ κηθξφηεξε ζπγθξηλφκελε κε κηα αλεκνγελλήηξηα ιηγφηεξσλ πηεξχγσλ πνπ ζαξψλεη ηελ ίδηα επηθάλεηα, ιφγσ απμεκέλσλ αεξνδπλακηθψλ απσιεηψλ. Έρεη απνδεηρζεί φηη νη ηξηπηέξπγνη ξφηνξεο έρνπλ κεγαιχηεξν αεξνδπλακηθφ ζπληειεζηή ηζρχνο απφ ηνπο πνιππηέξπγνπο, έηζη νη ηειεπηαίνη ρξεζηκνπνηνχληαη πεξηνξηζκέλα κφλν ζε θάπνηεο εθαξκνγέο φπσο ε άληιεζε πδάησλ, φπνπ ε απαηηνχκελε ξνπή εθθίλεζεο είλαη κεγάιε. Έλα ραξαθηεξηζηηθφ παξάδεηγκα αλεκνγελλήηξηαο νξηδφληηνπ άμνλα θαίλεηαη θαη ζηελ εηθφλα

33 Δηθφλα 2.3 Αλεκνγελλήηξηα νξηδφληηνπ άμνλα Οη αλεκνγελλήηξηεο ζήκεξα Ζ ζπλεζηζκέλε αλεκνγελλήηξηα πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζήκεξα απνηειείηαη απφ κηα γελλήηξηα, 3 πηεξχγηα θαη έλαλ πχξγν, πνπ βξίζθεηαη πίζσ απφ ηα πηεξχγηα έηζη ψζηε ν άλεκνο λα έξρεηαη απφ ην εκπξφζζην κέξνο. ην ζρήκα 2.2 θαίλνληαη ηα βαζηθά ζηνηρεία πνπ απνηεινχλ κηα αλεκνγελλήηξηα. ρήκα 2.2 Σνκή αηξάθηνπ αλεκνγελλήηξηαο 28

34 Ο άλεκνο δεζκεχεηαη ζηα πηεξχγηα θαη κέζσ ελφο άμνλα κεηαθέξεηαη ε θίλεζε ζην θηβψηην ηαρπηήησλ. Απφ εθεί έλαο άιινο άμνλαο κεηαθέξεη ηελ θίλεζε ζηελ γελλήηξηα. Γνπιεηά ηνπ θηβσηίνπ ηαρχηεηαο είλαη λα πνιιαπιαζηάδεη ηελ ηηκή ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ πνπ θηάλεη ζε απηφ απφ ηα πηεξχγηα. ηε ζπλέρεηα ε γελλήηξηα κε ηε ζεηξά ηεο είλαη ζπλδεδεκέλε κε έλαλ κεηαζρεκαηηζηή πξνθεηκέλνπ λα δίλεηαη ζε ηειηθφ ζηάδην ε επηζπκεηή ηάζε ζην ζεκείν ζχλδεζεο κε ην εθάζηνηε ηνπηθφ δίθηπν Γνκή ησλ αλεκνγελλεηξηώλ ην ζρήκα 2.3 θαίλεηαη πην αλαιπηηθά ε ηππηθή κνξθή ηεο εζσηεξηθήο δνκήο κηαο θιαζηθήο αλεκνγελλήηξηαο ρήκα 2.3 Γνκή αλεκνγελλήηξηαο [2] Κάλνληαο κία ηνκή ζηελ αλεκνγελλήηξηα βιέπνπκε ηελ εζσηεξηθή δηάηαμε ησλ ππνζπζηεκάησλ ηεο πνπ βξίζθνληαη θπξίσο ζηελ άηξαθην. ην παξαπάλσ ζρήκα δηαθξίλνπκε : α) ηνλ άμνλα ρακειψλ θαη πςειψλ ζηξνθψλ, β) ην θηβψηην ηαρπηήησλ, γ) ηε γελλήηξηα, δ) ην θξέλν, ε) ηνλ κεραληζκφ πεξηζηξνθήο ηεο αηξάθηνπ, ζη) ην κεραληζκφ ειέγρνπ βήκαηνο ησλ πηεξπγίσλ, δ) ην αλεκφκεηξν, ε) ηνλ αλεκνδείθηε θαη ζ) ηνλ ειεθηξνληθφ ειεγθηή. Γηα κηα πην αλαιπηηθή πεξηγξαθή μεθηλάκε απφ ηελ πιήκλε. Ζ πιήκλε είλαη κεραληθφ εμάξηεκα ζην νπνίν πξνζαξκφδνληαη ηα πηεξχγηα. Ζ πιήκλε ζπλδέεηαη κε ηνλ άμνλα ρακειψλ ζηξνθψλ. Ο άμνλαο ρακειψλ ζηξνθψλ, είλαη ν άμνλαο πνπ ζπλδέεη ηελ πιήκλε κε ην θηβψηην ηαρπηήησλ θαη είλαη ν άμνλαο ηνπ ξφηνξα ηνπ αλεκνθηλεηήξα. ηε ζπλέρεηα απφ ην θηβψηην ηαρπηήησλ μεθηλάεη έλα αθφκα άμνλαο ν νπνίνο θαηαιήγεη ζηε γελλήηξηα. Ο άμνλαο απηφο νλνκάδεηαη άμνλαο πςειψλ ηαρπηήησλ θαη 29

35 νπζηαζηηθά απνηειεί ην δξνκέα ηεο γελλήηξηαο. Σέινο ε γελλήηξηα ζπλδέεηαη κε έλαλ κεηαζρεκαηηζηή έηζη ψζηε λα ππάξρεη ε θαηάιιειε πξνζαξκνγή ηεο ηάζεο ζην εθάζηνηε δίθηπν. Απφ εθεί θαη πέξα ππάξρνπλ ην αλεκφκεηξν θαη ν αλεκνδείθηεο, ηα νπνία είλαη φξγαλα πνπ κεηξάλε ηελ ηαρχηεηα θαη πξνζδηνξίδνπλ ηελ θαηεχζπλζε ηνπ αλέκνπ αληίζηνηρα. 2.6 Αλεκνινγηθά ζηνηρεία - Καηαλνκή ηαρύηεηαο ηνπ αλέκνπ Ζ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ κπνξεί λα αληηκεησπηζηεί ζαλ κηα ζπλερήο ηπραία κεηαβιεηή. Ζ πηζαλφηεηα λα εκθαληζηεί γηα θάπνηα ηηκή ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ, κπνξεί λα πεξηγξαθεί απφ κηα ζπλάξηεζε ππθλφηεηαο πηζαλφηεηαο. Τπάξρνπλ πνιιέο ηέηνηεο ζρέζεηο πνπ κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ γηα λα πεξηγξάςνπλ πσο θαηαλέκεηαη ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ. Οη δχν πην θνηλέο είλαη νη θαηαλνκέο Weibull θαη Rayleigh. Ζ θαηαλνκή Rayleigh είλαη ππνζχλνιν ηεο θαηαλνκήο Weibull θαη πεξηγξάθεηαη σο εμήο [5] φπνπ k v k k1 ( v/ c) f ( v) ( ) e c c (2.6.1) f() v είλαη ε ππθλφηεηα ηεο πηζαλφηεηαο v είλαη ε ηαρχηεηα ηνπ αέξα>0 [m/s] k είλαη παξάκεηξνο κνξθσπνίεζεο>0 c είλαη παξάκεηξνο θιίκαθαο>0 Γηάθνξεο κεηξήζεηο πνπ έρνπλ γίλεη ζε φιν ηνλ θφζκν κε πξαγκαηηθέο ηηκέο ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ, έρνπλ δείμεη πσο ε θαηαλνκή Weibull κπνξεί λα ηελ πξνζεγγίζεη κε πνιχ κεγάιε αθξίβεηα, κε κνλαδηθή πξνυπφζεζε φηη αλαθέξεηαη ζε κηα ρξνληθή πεξίνδν πνπ δελ είλαη πνιχ κηθξή. Πεξίνδνη αξθεηψλ εβδνκάδσλ αιιά θαη κεγαιχηεξα ρξνληθά δηαζηήκαηα κπνξνχλ λα πεξηγξαθνχλ πνιχ ηθαλνπνηεηηθά απφ ηελ θαηαλνκή Weibull, ελψ γηα κηθξφηεξα ρξνληθά δηαζηήκαηα ε πεξηγξαθή απηή δελ είλαη ηφζν αληηπξνζσπεπηηθή [5]. Ζ κέζε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ κπνξεί λα ππνινγηζηεί κε ηε ρξήζε ηεο εμίζσζεο πνπ ππνινγίδεη ηελ πξνζδνθφκελε ηηκή κηαο ζπλερνχο ηπραίαο κεηαβιεηήο θαη ε νπνία είλαη v mean c 1 vf ( v) dv ( ) (2.6.2) k k 0 φπνπ Γ είλαη ε γάκκα εμίζσζε ηνπ Euler. 1 ( ) z t z t e dt. (2.6.3) 0 30

36 Αλ ε παξάκεηξνο k ηζνχηαη κε 2, ηφηε ε θαηαλνκή Weibull ηζνχηαη κε ηελ θαηαλνκή Rayleigh. Σν πιενλέθηεκα ηεο θαηαλνκήο Rayleigh είλαη φηη εμαξηάηαη κφλν απφ απφ ηελ παξάκεηξν c, ε νπνία κε ηε ζεηξά ηεο εμαξηάηαη κφλν απφ ηε κέζε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ. Ζ παξάκεηξνο c κπνξεί λα ππνινγηζηεί κε βάζε κηα δεδνκέλε κέζε ηαρχηεηα αλέκνπ σο εμήο 2 1 c v mean for k 2, ( ). 2 (2.6.4) ην ζρήκα 2.4 παξαηίζεηαη ην δηάγξακκα ηεο ζπλάξηεζεο θαηαλνκήο Rayleigh γηα δηαθνξεηηθέο κέζεο ηηκέο ηαρχηεηαο αλέκνπ. ρήκα 2.4 Γηάγξακκα θαηαλνκήο ηεο πηζαλφηεηαο γηα δηάθνξεο ηηκέο ηνπ αλέκνπ Ζ ζπλερήο καχξε γξακκή αληηζηνηρεί ζε κέζε ηαρχηεηα ησλ 5 m/s, ε δηαθεθνκκέλε γξακκή κε ηεο παχιεο αληηζηνηρεί ζε κέζε ηαρχηεηα 6 m/s, ε δηαθεθνκκέλε γξακκή κε ηηο ηειείεο αληηζηνηρεί ζε κέζε ηαρχηεηα 8 m/s θαη ε γθξη γξακκή αληηζηνηρεί ζε κέζε ηαρχηεηα 10 m/s. 2.7 Ιζρύο ηνπ αλέκνπ Γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηεο ηζρχνο ηνπ αλέκνπ, ζεσξνχκε κηα αέξηα κάδα m ζηηγκηαίαο ηαρχηεηαο v(t). Ζ θηλεηηθή ελέξγεηα ηνπ αλέκνπ είλαη: W 1 2 (t) m v (t) 2 (2.7.1) 31

37 Αλ Α είλαη ην εκβαδφλ ηεο επηθάλεηαο πνπ δηαπεξλά θάζεηα ν άλεκνο θαη ξ ε ππθλφηεηα ηεο αέξηαο κάδαο ηφηε ε αλά κνλάδα ρξφλνπ κάδα ηνπ αέξα είλαη: m(t) A v(t) (2.7.2) Δπνκέλσο απφ ηηο παξαπάλσ ζρέζεηο ζπλεπάγεηαη φηη ε ζηηγκηαία ηζρχο ηνπ αλέκνπ (ελέξγεηα ζηε κνλάδα ηνπ ρξφλνπ) ζα πξνθχπηεη απφ ηελ ζρέζε P A v (t) (2.7.3) Απφ ηελ ηειεπηαία ζρέζε θαίλεηαη πνζνηηθά ε ζπνπδαηφηεηα ηεο αμηνπνίεζεο ηεο ελέξγεηαο ηνπ αλέκνπ ζε ζρέζε πξνο ηελ ηαρχηεηα ηνπ θαζψο ε ηζρχο είλαη αλάινγε ηνπ θχβνπ ηεο ηαρχηεηαο. Όκσο ζηελ πξαγκαηηθφηεηα κφλν έλα θιάζκα ηεο δηαζέζηκεο ηζρχνο κπνξεί λα δεζκεπηεί απφ έλαλ αλεκνθηλεηήξα, δηφηη αθελφο ν άλεκνο απνκαθξχλεηαη απφ ηνλ αλεκνθηλεηήξα κε θάπνηα ηαρχηεηα, αθεηέξνπ ηα πηεξχγηα ηνπ αλεκνθηλεηήξα πξνθαινχλ εθηξνπή κέξνπο ηνπ αέξα ην νπνίν παξαθάκπηεη ηνλ αλεκνθηλεηήξα ρσξίο λα ηνλ δηαπεξάζεη. Έηζη νξίδνπκε ηνλ ζπληειεζηή ηζρχνο ελφο αλεκνθηλεηήξα Cp σο εμήο C P M P P (2.7.4) φπνπ P M είλαη ε κεραληθή ηζρχο πνπ παξάγεηαη Μέγηζηε ζεσξεηηθή ηηκή ηνπ ζπληειεζηή ηζρύνο C P χκθσλα κε ηε ζεσξία ηνπ δίζθνπ ελέξγεηαο ν κεραληζκφο δέζκεπζεο ηεο θηλεηηθήο ελέξγεηαο ηνπ αλέκνπ απφ ην δξνκέα ηνπ αλεκνθηλεηήξα ζεσξείηαη ηδαληθφο (ζχκθσλα κε θάπνηεο παξαδνρέο πνπ δελ είλαη ζθφπηκν λα αλαθέξνπκε). Ο ξφηνξαο ζεσξείηαη σο δίζθνο πνπ ελεξγεί πάλσ ζηνλ άλεκν κεηψλνληαο ηελ ζηαηηθή ηνπ πίεζε. Σν ζρήκα 2.5 εηθνλίδεη ην ζσιήλα ξνήο ηνπ αλεκνθηλεηήξα πνπ νξίδεηαη απφ ηε δηάκεηξν ηνπ δξνκέα. Ο αέξαο πνιχ καθξηά πξηλ απφ ην δίζθν έρεη θάπνηα ζηαηηθή πίεζε θαη πιεζηάδεη ην δίζθν κε ηαρχηεηα v 1. Ο δίζθνο αθαηξεί ελέξγεηα απφ ηνλ αέξα θαη επνκέλσο πνιχ καθξηά κεηά απφ ην δίζθν φπνπ ε πίεζε ηνπ αέξα ζα έρεη απνθαηαζηαζεί ζηελ πίεζε ηνπ πεξηβάιινληνο (ζηαηηθή πίεζε), ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ v 3 ζα είλαη κηθξφηεξε απφ ηελ v 1, (v 3 <v 1 ). Γηα λα ππάξρεη δηαηήξεζε ηεο κάδαο κέζα ζηνλ ζσιήλα ξνήο ζα πξέπεη ε δηάκεηξνο ηνπ ζσιήλα λα κεγαιψλεη κεηά ηνλ δξνκέα. Ζ ζηνηρεηψδεο αέξηα κάδα αλά κνλάδα 32

38 ρήκα 2.5 σιήλαο ξνήο ηεο αλεκνγελλήηξηαο [2] ρξφλνπ πνπ ξέεη κέζα ζην ζσιήλα ξνήο δηαηεξείηαη ζηαζεξή θαη δίλεηαη απφ ηελ παξαθάησ ζρέζε dm 2 Rv2 dt ( ) φπνπ ξ ε ππθλφηεηα ηνπ αέξα, R ε αθηίλα ηνπ δξνκέα θαη v 2 ε ηαρχηεηα ηνπ ξεπζηνχ δηακέζνπ ηνπ δίζθνπ. Ο άλεκνο κεηά ηελ δηέιεπζε ηνπ απφ ην δίζθν έρεη κηθξφηεξε ελέξγεηα απφ απηήλ πνπ είρε πξηλ ην δίζθν. Ζ δηαθνξά ηεο θηλεηηθήο ελέξγεηαο ηνπ αλέκνπ πξηλ θαη κεηά απφ ην δίζθν δεζκεχεηαη απφ ηνλ ηδαληθφ δξνκέα ηνπ αλεκνθηλεηήξα θαη ηζνχηαη κε 1 W m v v A/K 1 3 ( ) Ζ ηζρχο ηεο ελέξγεηαο απηήο είλαη P v v R 2 v v v 2 dw 1dm 1 dt 2 dt 2 A/K M ( ) Όκσο ε ελέξγεηα W A/K ηζνχηαη θαη κε ην γηλφκελν ηεο νξκήο ηεο αέξηαο κάδαο επί ηελ ηαρχηεηά ηεο, δειαδή W m v v v A/K ( ) Απφ ηηο παξαπάλσ ζρέζεηο γηα ην W A/K πξνθχπηεη φηη 33

39 v 1 v v ( ) Οπφηε κε αληηθαηάζηαζε έρνπκε 1 1 P R v v v v R v M v v v 1 v v v ( ) Δπνκέλσο θαηαιήγνπκε ηειηθά φηη γηα ην C P ηζρχεη C P v v v M P 1 ( ) P 2 v 1 v 1 v 1 Γηα ηελ εχξεζε ηνπ κέγηζηνπ ζπληειεζηή C P παίξλνπκε ηελ παξάγσγν ηεο ηειεπηαίαο v3 ζρέζεο σο πξνο ίζε πξνο ην κεδέλ, νπφηε πξνθχπηεη v 1 dc dt 2 P v v v 1 v v v 3 ( ) νπφηε κε αληηθαηάζηαζε θαηαιήγνπκε ζην ζεσξεηηθφ κέγηζην ηνπ C P 16 CPmax ( ) Ζ ηηκή απηή είλαη ε κέγηζηε ζεσξεηηθή ηηκή ηνπ ζπληειεζηή ηζρχνο C P θαη νλνκάδεηαη φξην ηνπ Betz. ηελ πξάμε φκσο ιφγσ κεραληθψλ ηξηβψλ, ζηξνβίισλ θαη αεξνδπλακηθψλ αηειεηψλ, ε ηηκή ηνπ C P δελ μεπεξλά ην Άλησζε θαη Αληίζηαζε Όηαλ άλεκνο ηαρχηεηαο v πξνζπίπηεη ζε κία επηθάλεηα εκβαδνχ Α πνπ ζρεκαηίδεη γσλία α (γσλία πξνζβνιήο) κε ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ, αζθεί ζηελ επηθάλεηα κία δχλακε F. Ζ δχλακε απηή αλαιχεηαη ζε δχν ζπληζηψζεο: ηελ F L πνπ είλαη θάζεηε ζηελ ηαρχηεηα v θαη θαιείηαη άλησζε θαη ηελ F D πνπ είλαη παξάιιειε πξνο ηελ ηαρχηεηα v θαη θαιείηαη αληίζηαζε, φπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα

40 φπνπ F F F 2 2 L D ρήκα 2.6 Γηάγξακκα ησλ δπλάκεσλ πνπ εκθαλίδνληαη θαηά ηελ πξνζβνιή κηαο επηθάλεηαο απφ ηνλ άλεκν. Σα κέηξα ησλ δπλάκεσλ απηψλ δίλνληαη απφ ηηο ζρέζεηο FL AV C L( ) ( ) θαη FD AV C D( ) ( ) φπνπ ξ ε ππθλφηεηα ηνπ αέξα θαη C L (α), C D (α) ζπληειεζηέο πνπ πξνζδηνξίδνληαη πεηξακαηηθά θαη εμαξηψληαη απφ ηε γσλία α. Ζ παξαπάλσ αλάιπζε βξίζθεη εθαξκνγή θαη ζηα πηεξχγηα ησλ αλεκνθηλεηήξσλ. Όπσο θαίλεηαη απφ ην δηάγξακκα ππάξρεη ζπζρέηηζε ηνπ F L θαη F D σο ζπληζησζψλ ηεο F. Οη αλεκνθηλεηήξεο πνπ αμηνπνηνχλ σο θηλεηήξηα δχλακε ηελ αληίζηαζε ιεηηνπξγνχλ κε ρακειή ηαρχηεηα θαη κεγάιε ξνπή θαη ρξεζηκνπνηνχληαη ζπλήζσο γηα άληιεζε λεξνχ θαη άιεζε δεκεηξηαθψλ. Αληίζεηα γηα ειεθηξνπαξαγσγή είλαη θαηαιιειφηεξνη νη αλεκνθηλεηήξεο πνπ εθκεηαιιεχνληαη ηελ άλησζε γηαηί ιεηηνπξγνχλ κε πςειή ηαρχηεηα θαη κηθξή ξνπή Θεσξία πηεξύγσζεο Γηα δηάθνξνπο ππνινγηζκνχο αεξνδπλακηθήο ζε πηεξχγηα, θαη ηδηαίηεξα ηνπ ζπληειεζηή ηζρχνο C P, ρξεζηκνπνηείηαη ε ζεσξία πηεξχγσζεο. Ζ ζεσξία πηεξχγσζεο βαζίδεηαη ζηνλ δηαρσξηζκφ ηνπ πηεξπγίνπ ζε πνιιέο ζηελέο ισξίδεο θαη ηνλ ππνινγηζκφ ζηνηρεησδψλ κεγεζψλ ζε απηέο. Έπεηηα κέζσ νινθιήξσζεο ζε φιν ην κήθνο ηνπ πηεξπγίνπ πξνθχπηεη κία αλαιπηηθή ζρέζε γηα ηνλ ζπληειεζηή ηζρχνο C P. 35

41 Έζησ έλαο αλεκνθηλεηήξαο πνπ ζηξέθεηαη κε γσληαθή ηαρχηεηα σ θαη ηνπ νπνίνπ ηα πηεξχγηα ζρεκαηίδνπλ γσλία ζ κε ην επίπεδν πεξηζηξνθήο. ε κία ηπραία ζηηγκηαία ζέζε ζεσξνχκε ηελ αεξνηνκή ελφο πηεξπγίνπ κε έλα επίπεδν παξάιιειν ζηνλ άμνλα πεξηζηξνθήο ηνπ, φπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα 2.7. ρήκα 2.7 Αεξνηνκή ελφο πηεξπγίνπ ε έλα ζηνηρεηψδεο ηκήκα ηνπ πηεξπγίνπ πάρνπο dr αζθνχληαη κία δχλακε df L (άλησζε) θαη κία δχλακε df D (αληίζηαζε). Ζ ζπληζηακέλε απηψλ ησλ δπλάκεσλ df αλαιχεηαη ζε δχν λέεο ζπληζηψζεο ηηο dt D θαη dt A. Σα κεγέζε πνπ εηθνλίδνληαη ζην παξαπάλσ ζρήκα είλαη: v: ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ v B =σ r R : ε γξακκηθή ηαρχηεηα ηεο πηέξπγαο ιφγσ πεξηζηξνθήο σ r : ε γσληαθή ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο R: ην κήθνο ηνπ πηεξπγίνπ v r =v-v B : ε ζρεηηθή ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ ηελ νπνία βιέπεη ε πηέξπγα, είλαη ην δηαλπζκαηηθφ άζξνηζκα ησλ v θαη v B ζ: ε γσλία ηνπ πηεξπγίνπ κε ην επίπεδν πεξηζηξνθήο α: ε γσλία πξνζβνιήο C: ε ρνξδή (πιάηνο) ηνπ πηεξπγίνπ θ=tan -1 (v/v B ) Ζ πξνσζηηθή δχλακε dt D πνπ είλαη ε αηηία πεξηζηξνθήο ησλ πηεξπγίσλ ηζνχηαη κε dtd dfl sin dfd cos ( ) θαη κε αληηθαηάζηαζε ησλ δπλάκεσλ F L θαη F D απφ ηηο ζρέζεηο πνπ αλαθέξζεθαλ πξηλ θαηαιήγνπκε ζηελ εμήο ζρέζε 36

42 dt D 1 2 vr C L( )sin C D( )coscdr 2 ( ) Απφ ην δηαλπζκαηηθφ ηξίγσλν ησλ ηαρπηήησλ έρνπκε vr v vb v rr ( ) ( ) R vcot r Ζ ηζρχο πνπ παξάγεηαη είλαη dp=dt D v B, νπφηε πξνθχπηεη ε ζρέζε dp v cot 1 cot C ( )sin C ( )cos Cdr L D ( ) Οινθιεξψλνληαο ηελ ηειεπηαία ζρέζε θαη ζεσξψληαο Α/Κ κε ηξία πηεξχγηα P M =3P πξνθχπηεη ηειηθά κία αλαιπηηθή ζρέζε γηα ηνλ ζπληειεζηή ηζρχνο C P P R 3 C cot 1cot C ( )sinc ( )cos Cdr 2 L D R ( ) 0 Παξαηεξνχκε φηη ν ζπληειεζηήο ηζρχνο C P εμαξηάηαη άκεζα φρη κφλν απφ ηα θαηαζθεπαζηηθά ραξαθηεξηζηηθά ησλ πηεξπγίσλ (κήθνο R, ρνξδή C θαη ζπληειεζηέο C L, C D ) αιιά θαη απφ ηε ζπλεθαπηνκέλε ηεο γσλίαο θ, φπσο θαίλεηαη θαη ζην παξαπάλσ ζρήκα. Γηα ζπγθεθξηκέλν αλεκνθηλεηήξα ηα κεγέζε R, C, C L,C D είλαη ζηαζεξά επνκέλσο ν ζπληειεζηήο ηζρχνο C P είλαη ζπλάξηεζε ηεο ζπλεθαπηνκέλεο ηεο γσλίαο θ γηα ηελ νπνία ηζρχεη cot rr v ( ) Λόγνο ηαρύηεηαο αθξνπηεξπγίνπ Ο ιφγνο rr πνπ θαιείηαη ιφγνο ηαρχηεηαο αθξνπηεξπγίνπ (tip-speed ratiov TSR) είλαη ν ιφγνο ηεο γξακκηθήο ηαρχηεηαο ιφγσ πεξηζηξνθήο ησλ αθξνπηεξπγίσλ πξνο ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ, φπνπ σ r ε γσληαθή ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο ζε rad/sec θαη R ην κήθνο ηνπ πηεξπγίνπ ζε κέηξα. Δθφζνλ ν ζπληειεζηήο ι απνηειεί ιφγν ηαρπηήησλ είλαη αδηάζηαην κέγεζνο. ην ζρήκα 2.8 θαίλεηαη κία ηππηθή κνξθή ηνπ ζπληειεζηή C P ζπλαξηήζεη ηνπ ι. 37

43 ρήκα 2.8 Γηάγξακκα ηνπ ιφγνπ ηαρχηεηαο αθξνπηεξπγίνπ ι κε ην ζπληειεζηή ηζρχνο C P Παξαηεξνχκε φηη ν C P έρεη κέγηζηε ηηκή γηα κία ζπγθεθξηκέλε ηηκή ηνπ ι. Ζ ηηκή απηή ηνπ ι είλαη ε βέιηηζηε ηηκή. Όπσο ζα δνχκε αξγφηεξα ν ζπληειεζηήο C P είλαη ζπλάξηεζε θαη ηεο γσλίαο βήκαηνο ησλ πηεξχγσλ πνπ ζα νξηζηεί παξαθάησ πληειεζηήο C P θαη ηαρύηεηα ηνπ αλέκνπ Ο λφκνο ηνπ Betz [6] καο ιέεη φηη ιηγφηεξν απφ ηα 16/27 (ή 59%) ηεο θηλεηηθήο ελέξγεηαο ηνπ αλέκνπ κπνξνχλ λα κεηαηξαπνχλ ζε κεραληθή ελέξγεηα κέζσ κηαο αλεκνγελλήηξηαο. Ο ζπληειεζηήο ηζρχνο δείρλεη πφζν απνηειεζκαηηθά κηα αλεκνγελλήηξηα κεηαηξέπεη ηελ αηνιηθή ελέξγεηα ζε ειεθηξηθή. Σν ζρήκα 2.9 καο δείρλεη κηα ηππηθή κνξθή ελφο δηαγξάκκαηνο ηνπ C P κε ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ Ζ κέζε κεραληθή απφδνζε είλαη πεξίπνπ ιίγν πάλσ απφ ην 20%, σζηφζν ε απφδνζε δηαθέξεη πνιχ θαη ζρεηίδεηαη κε ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ θαη παίξλεη κεγαιχηεξε ηηκή γηα ηελ ζπγθεθξηκέλε πεξίπησζε, θνληά ζην 44%, ζε κηα ηαρχηεηα αλέκνπ πεξίπνπ ζηα 9m/s. ηηο ρακειέο ηαρχηεηεο αλέκνπ ε απφδνζε δελ είλαη ηδηαίηεξα ζεκαληηθή κηαο θαη δελ ππάξρνπλ δηαζέζηκα ηφζν κεγάια κεγέζε ελέξγεηαο γηα λα δεζκεπηνχλ. ε κεγάιεο ηαρχηεηεο αλέκνπ, ε αλεκνγελλήηξηα ζα πξέπεη λα κελ παξαιάβεη ηελ παξαπαλίζηα πνζφηεηα ελέξγεηαο πέξα απφ ηελ πξνθαζνξηζκέλε (νλνκαζηηθή) θαη απηφ πξνθαλψο θαζνξίδεη ηα κεραληθά θνξηία ζηελ θαηαζθεπή. Οπφηε, ε έλλνηα ηεο απφδνζεο έρεη ζεκαζία ζηηο πεξηνρέο φπνπ ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ κπνξεί λα δψζεη ηα κέγηζηα πνζά ελέξγεηαο [7]. 38

44 ρήκα 2.9 Γηάγξακκα ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ κε ηνλ ζπληειεζηή ηζρχνο C P Γεληθά αλεκνγελλήηξηεο κε κεγάιε απφδνζε ηερληθά, δελ απνηεινχλ απηνζθνπφ. Απηφ πνπ έρεη κεγαιχηεξε ζεκαζία είλαη ην θφζηνο ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο απφ ηνλ άλεκν, θαηά ηε δηάξθεηα ηεο δσήο ηνπο (ππνινγίδεηαη ζε κηα 20εηηα πεξίπνπ). Απφ ηε ζηηγκή πνπ ην θαχζηκν, ν άλεκνο δειαδή, είλαη δσξεάλ δελ ππάξρεη θαλέλαο ιφγνο γηα νηθνλνκία. Απφ ηελ άιιε, νη θαιχηεξεο αλεκνγελλήηξηεο δελ είλαη απηέο πνπ παξάγνπλ ηα κεγαιχηεξα πνζά ελέξγεηαο ζηε δηάξθεηα ελφο ρξφλνπ, αιιά απηέο πνπ παξνπζηάδνπλ έλαλ βέιηηζην ζπληειεζηή αλάκεζα ζηε παξαγφκελε ελέξγεηα θαη ζην θφζηνο εγθαηάζηαζεο θαη ιεηηνπξγίαο. Όιεο νη αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο παξνπζηάδνπλ κηα ππεξχςσζε ζηελ θαζνξηζκέλε ηζρχ ηεο κεραλήο ζην μεθίλεκα ησλ πξψησλ ξηπψλ αέξα ζηελ αλεκνγελλήηξηα. Αλάινγα κε ην ζρεδηαζκφ ηνπ έιεγρνπ, απηή ε ππεξχςσζε απμάλεη ηηο ηηκέο θάπνησλ κεηαβιεηψλ αθφκα θαη θαηά 50%. Απηή ε ππεξχςσζε, γηα παξάδεηγκα, πξνθαιεί κεγάιε θζνξά ζην θηβψηην ηαρπηήησλ. ε κεραλέο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο απηά ηα πξνβιήκαηα κπνξνχλ λα απνθεπρζνχλ. ηηο αλεκνγελλήηξηεο ππάξρεη νηθνλνκία θιίκαθαο, γηα παξάδεηγκα κεγάιεο αλεκνγελλήηξηεο κπνξνχλ ζπλήζσο λα παξάγνπλ ειεθηξηθή ελέξγεηα ζε ρακειφηεξν θφζηνο απφ κηθξφηεξεο αλεκνγελλήηξηεο. Ο ιφγνο γηα απηφ είλαη φηη ην θφζηνο γηα ζεκειηψζεηο, δξφκνπο, ζπλδέζεηο ζην ειεθηξηθφ δίθηπν ζε ζπλδπαζκφ κε αξθεηά ζηνηρεία ηεο αλεκνγελλήηξηαο, είλαη αλεμάξηεηα απφ ην κέγεζνο ηεο αλεκνγελλήηξηαο. Μεγάιεο αλεκνγελλήηξηεο είλαη εμαηξεηηθά πξνηηκφηεξεο ζε ππεξάθηηα (ζαιάζζηα) πάξθα. Δθεί ην θφζηνο ηεο ζεκειίσζεο δελ είλαη απφιπηα αλαινγηθφ κε ην κέγεζνο ηεο αλεκνγελλήηξηαο, πξάγκα πνπ ηζρχεη θαη γηα ην θφζηνο ζπληήξεζεο [8]. Δπίζεο ζε πεξηνρέο φπνπ είλαη δχζθνιν λα ηνπνζεηεζνχλ παξαπάλσ απφ κηα αλεκνγελλήηξηεο, ηφηε κηα κεγάιε αλεκνγελλήηξηα κε αξθεηά ςήιν πχξγν απνδίδεη πεξηζζφηεξν κηαο θαη ε ηηκή ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ, απμάλεηαη κε ην χςνο. 39

45 2.7.6 Μέγηζηνο ζπληειεζηήο C p Όπσο είδακε θαη λσξίηεξα ε κέγηζηε ζεσξεηηθή ηηκή ηνπ C p είλαη κε βάζε ην φξην ηνπ Betz Cp _ max ( ) Ο αεξνδπλακηθφο ζπληειεζηήο ηζρχνο C P δελ είλαη ζηαζεξφο. Όπσο αλαθέξζεθε, ν ζπληειεζηήο C P εμαξηάηαη απφ ηελ ηαρχηεηα ησλ αθξνπηεξπγίσλ ι αιιά θαη απφ έλαλ αθφκα παξάγνληα πνπ είλαη ε γσλία βήκαηνο ηνπ πηεξπγίνπ β. Ζ ζρέζε γηα ηε κεραληθή ελέξγεηα πνπ παξάγεηαη απφ ηνλ άλεκν δίλεηαη απφ ηνλ ηχπν P M C pr v ( ) Ο ζπληειεζηήο ηζρχνο C p ( ι, β), φπσο αλαθέξακε παξαπάλσ, είλαη ζπλάξηεζε ησλ ι θαη β θαη γηα θάζε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ πξέπεη ε γσληαθή ηαρχηεηα ηνπ ξφηνξα λα παίξλεη ηηκέο πνπ λα βειηηζηνπνηνχλ ηα ι θαη β, έηζη ψζηε λα επηηπγράλεηαη κέγηζηε παξαγσγή ηζρχνο απφ ηελ αλεκνγελλήηξηα. Γηα δεδνκέλεο ηηκέο ησλ ι θαη β ππνινγίδεηαη ε ηηκή ηνπ C p (ι,β) ρξεζηκνπνηψληαο ηνλ παξαθάησ πξνζεγγηζηηθφ ηχπν C p 12.5 e 116 i (, ) 0.22( 0.4 5) i ( ) φπνπ γηα ην ι i ηζρχεη ε ζρέζε i ( ) Με βάζε απηέο ηηο ζρέζεηο είλαη δπλαηψλ λα ζρεδηάζνπκε έλα δηάγξακκα πνπ λα εκπιέθεη ην C p, ην ι θαη β (κεηξνχκελν ζε κνίξεο). Με ηε ρξήζε ηνπ ινγηζκηθνχ παθέηνπ MATLAB παίξλνπκε ην δηάγξακκα ηνπ ζρήκαηνο Γελ είλαη δχζθνιν λα δηαπηζηψζνπκε πσο ε κέγηζηε ηηκή ηνπ C p αληηζηνηρεί ζηελ ηηκή β=0. Ζ ηηκή απηή ηνπ β κπνξεί λα καο δψζεη ηε βέιηηζηε ηηκή θαη γηα ην C p θαη ην ι i θαη ην ι. 40

46 ρήκα 2.10 Γηάγξακκα ηνπ ιφγνπ ηαρχηεηαο αθξνπηεξπγίνπ ι κε ην ζπληειεζηή ηζρχνο C P γηα δηάθνξεο ηηκέο ηνπ β. Οπφηε Σα νπνία δίλνπλ 8.12 θαη i opt C popt 2.8 Μέγηζηε παξαγόκελε ηζρύο Απφ ηε ζρέζε ( ) είδακε φηη ν αεξνδπλακηθφο ζπληειεζηήο ηζρχνο C P εμαξηάηαη απφ ηε ηαρχηεηα αθξνπηεξπγίνπ ι. Δπίζεο είδακε φηη ην C P_opt αληηζηνηρεί ζε έλα ι opt, ην νπνίν κπνξεί λα βξεζεί κε βάζε ηε δηαδηθαζία πνπ αλαθέξζεθε πξνεγνχκελα. Όπσο είλαη πξνθαλέο απφ ηε ζρέζε ( ) ην ι opt πνπ ππνινγίζηεθε λσξίηεξα, κπνξεί λα νξίζεη έλα σ r_opt νπνίν πιένλ ζα εμαξηάηαη κφλν απφ ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ, δειαδή opt r _ opt v R (2.8.1) Δπίζεο απφ ηε ζρέζε ( ) έρνπκε φηη ε κεραληθή ελέξγεηα πνπ δίλεηαη απφ ην άλεκν είλαη 41

47 P M 1 C R 23 p v 2 Όπσο είλαη γλσζηφ φκσο γηα ηε κεραληθή ελέξγεηα πνπ δεζκεχεηαη απφ ζηξεθφκελε κεραλή ηζρχεη P M T M r (2.8.2) Οπφηε κε αληηθαηάζηαζε πξνθχπηεη φηη ε ξνπή 1 T ( ) 32 M CT R v 2 (2.8.3) C p φπνπ CT. Όπσο γίλεηαη πξνθαλέο απφ ηελ παξαπάλσ ζρέζε έλα C P_opt θαη έλα ι opt νξίδνπλ επίζεο θαη έλα Σ Μ_opt, ην νπνίν θαη απηφ είλαη εμαξηψκελν κφλν απφ ηε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ φπσο θαη ην σ r_opt : 1 T C ( ) 32 T R v M _ opt 2 opt (2.8.4) φπνπ C p _ opt CT ( opt ) opt, δειαδή ηζρχεη επίζεο 1 C p _ opt T R52 M _ opt 2 3 r_ opt (2.8.5) opt Απφ ηε ηειεπηαία ζρέζε (2.8.5) θαη επηζηξέθνληαο ζηε ζρέζε (2.8.2) θαηαιήγνπκε ζην ζπκπέξαζκα πσο γηα λα επηηεπρζεί P Μ_max ζα πξέπεη λα έρνπκε ιεηηνπξγία ζην κέγηζην σ r_opt. 2.9 Γσλία βήκαηνο θαη απώιεηα ζηήξημεο Οη αλεκνγελλήηξηεο είλαη θαηαζθεπαζκέλεο λα παξάγνπλ ελέξγεηα κε φζν ην δπλαηφ κηθξφηεξν θφζηνο. Έηζη νη αλεκνγελλήηξηεο είλαη ζρεδηαζκέλεο λα απνδίδνπλ ην κέγηζην ηεο ελέξγεηαο πνπ κπνξνχλ ζε ηαρχηεηεο αλάκεζα ζηα 12 κε 15 m/s. Γελ ππάξρεη θαλέλαο ιφγνο λα ζρεδηάδεη θάπνηνο αλεκνγελλήηξηεο πνπ απνδίδνπλ ηε κέγηζηε ηνπο ελέξγεηα ζε ηαρχηεηεο κεγαιχηεξεο απφ ηηο πξναλαθεξζείζεο κηαο θαη ηφζν δπλαηνί άλεκνη είλαη πνιχ ζπάληνη. ε πεξίπησζε πνπ ππάξρνπλ ηφζν δπλαηνί άλεκνη είλαη πάγηα ηαθηηθή λα ζπζηάδεηαη ε παξαπάλσ ελέξγεηα πνπ ζα κπνξνχζε λα παξαρζεί, πξνθεηκέλνπ λα κελ πάζεη θάπνηα δεκηά θαη λα θαηαζηξαθεί ε αλεκνγελλήηξηα. Γηα ην ιφγν απηφ, φιεο νη αλεκνγελλήηξηεο θαηαζθεπάδνληαη ψζηε 42

48 θαη αξρήλ λα ιεηηνπξγνχλ κε αζθάιεηα ζηηο κεγάιεο ηαρχηεηεο αλέκνπ πνπ ηπρφλ ζα εκθαληζηνχλ. Γηα λα επηηεπρζεί απηφ ρξεζηκνπνηνχληαη ε γσλία βήκαηνο πηεξπγίνπ ή ε απψιεηα ζηήξημεο [9] Γσλία βήκαηνο πηεξπγίνπ ηηο αλεκνγελλήηξηεο πνπ έρνπλ έιεγρν ηεο γσλίαο βήκαηνο πηεξπγίσλ (pitch control), ηα πηεξχγηα ζα πξέπεη λα έρνπλ ηε δπλαηφηεηα λα πεξηζηξέθνληαη, πεξηζηξέθνληαο φιν ή κέξνο θάζε πηεξπγίνπ γχξσ απφ ηνλ άμνλα ηνπο, ζηελ θαηεχζπλζε ε νπνία κεηψλεη ηελ γσλία πξφζπησζεο θαη άξα ηνλ ζπληειεζηή άλησζεο, κία δηαδηθαζία γλσζηή ζαλ βήκα πηέξσζεο (pitch feathering). ην ζρήκα 2.11 θαίλεηαη ε δηαδηθαζία. ρήκα 2.11 Γσλία βήκαηνο πηεξπγίνπ Όηαλ ε παξαγσγή ελέξγεηαο γίλεηαη πνιχ κεγάιε, ν κεραληζκφο έιεγρνπ ηεο γσλίαο ησλ πηεξπγίσλ αξρίδεη λα ζηξίβεη ζηγά-ζηγά ηα πηεξχγηα έηζη ψζηε λα κεηψλεηαη ν αλεκνο πνπ πξνζπίπηεη πάλσ ηνπο. Πξνθαλψο ηα πηεξχγηα μαλαζηξίβνπλ φηαλ πέζεη ε έληαζε ηνπ αλέκνπ πξνθεηκέλνπ λα έρνπκε κεγαιχηεξε πξφζπησζή ηνπ πάλσ ηνπο ψζηε ελ ηέιεη λα ππάξρεη κεγαιχηεξε παξαγσγή ελέξγεηαο. Ο κεραληζκφο ηνπ έιεγρνπ βήκαηνο πηεξπγίνπ πξαγκαηνπνηείηαη κε ηε ρξήζε πδξαπιηθψλ ή θαη ειεθηξηθψλ ελεξγνπνηεηψλ. 43

49 2.9.2 Απώιεηα ζηήξημεο ηηο αλεκνγελλήηξηεο κε παζεηηθή απψιεηα ζηήξημεο ηα πηεξχγηα είλαη ηνπνζεηεκέλα ζηνλ άμνλα ζε κηα ζηαζεξή γσλία. Ζ γεσκεηξία ησλ πηεξπγίσλ είλαη ηέηνηα ψζηε απηφκαηα, αεξνδπλακηθά λα δηαζθαιίδεηαη φηη ζε κεγάιεο ηαρχηεηεο αλέκνπ ζα εκθαληζηνχλ ζηα πιάγηα ησλ πηεξπγίσλ απφ ηελ αληίζεηε πιεπξά πξφζπησζεο ηνπ αλέκνπ δίλεο θαη ζηξνβηιηζκνί, φπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα 2.12 ρήκα 2.12 Γσλία απψιεηαο ζηήξημεο Απηέο νη δηαηαξαρέο, αληηζηαζκίδνπλ ηηο δπλάκεηο άλησζεο ζηα πηεξχγηα θαη ηηο πεξηνξίδνπλ ζην λα επελεξγήζνπλ ζην ξφηνξα. Απηφ ην θαηλφκελν ιέγεηαη απψιεηα ζηήξημεο (stall control). Οη αεξνδπλακηθέο δηαηαξαρέο ζηηο νπνίεο νθείιεηαη ην θαηλφκελν ηεο απψιεηαο ζηήξημεο, ηειηθά νδεγνχλ ζε ζπλερείο αξλεηηθέο νιηζζήζεηο ζηελ ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο γλσζηέο σο ζηνιάξηζκα (απφ ην stall ζηα αγγιηθά). Καηά ηελ απψιεηα ζηήξημεο ην πηεξχγην ζηξέθεηαη αξγά θαηά κήθνο ηνπ άμνλα ηνπ. Απηφ γίλεηαη ελ κέξε πξνθεηκέλνπ λα δηαζθαιηζηεί φηη ηα πηεξχγηα ράλνπλ ηελ απψιεηα ζηήξημεο ζηαδηαθά θαη φρη απφηνκα φηαλ ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ θηάζεη ζηελ θαζνξηζκέλε ηαρχηεηα. Σν θχξην πιενλέθηεκα ηνπ έιεγρνπ απψιεηαο ζηήξημεο είλαη φηη δελ ππάξρνπλ θηλνχκελα κέξε πάλσ ζηνλ ξφηνξα. Όκσο ν ζρεδηαζκφο κε βάζε απηφ ηνλ έιεγρν απνηειεί κηα πνιχ πεξίπινθε ππφζεζε αεξνδπλακηθά θαη επεξεάδεη ην ζρεδηαζκφ φιεο ηεο αλεκνγελλήηξηαο. 44

50 Δίλαη ζεκαληηθφ λα ζεκεησζεί φηη ε κεηαβνιή ηεο γσλίαο ζηελ απψιεηα ζηήξημεο γίλεηαη αληίζεηα πξνο απηήλ ηεο γσλίαο βήκαηνο πηεξπγίνπ. Ο κεραληζκφο ζηξέςεο ησλ πηεξπγίσλ είλαη είηε πδξαπιηθφο είηε γίλεηαη κε ειεθηξηθνχο κεραληζκνχο Κπξηόηεξνη ηύπνη αλεκνγελλεηξηώλ Αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρύηεηαο Οη ηππηθέο κεραλέο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο ρξεζηκνπνηνχλ ζπλήζσο επαγσγηθέο κεραλέο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ, θαη είλαη ζπλδεδεκέλεο απεπζείαο ζην δίθηπν, φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 2.13 ρήκα 2.13 Δπαγσγηθή κεραλή βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ Έλαο απφ ηνπο ιφγνπο πνπ επηιέγεηαη ε επαγσγηθή κεραλή είλαη φηη είλαη αμηφπηζηε θαη ζπγθξηηηθά κε άιιεο πην θζελή. εκαληηθφ κεηνλέθηεκα είλαη φηη ε επαγσγηθή κεραλή θαηαλαιψλεη άεξγν ηζρχ ε νπνία γίλεηαη ηφζν κεγαιχηεξε, φζν απμάλεηαη ε παξαγσγή ηεο ελεξγνχ ηζρχνο. Γηα λα ηζνζηαζκίδεηαη ε θαηαλάισζε αέξγνπ ηζρχνο ηεο επαγσγηθήο γελλήηξηαο έηζη ψζηε λα παίξλνπκε ζπληειεζηή ηζρχνο θνληά ζηε κνλάδα, ζην ζεκείν ζχλδεζεο κε ην δίθηπν ρξεζηκνπνηείηαη ζπζηνηρία παξάιιεισλ ππθλσηψλ. Ζ επαγσγηθή κεραλή ζαλ γελλήηξηα έρεη επίζεο κεξηθέο κεραληθέο ηδηφηεηεο πνπ είλαη εμαηξεηηθά ρξήζηκεο γηα κηα αλεκνγελλήηξηα. Γηα παξάδεηγκα ε νιίζζεζε ηεο γελλήηξηαο θάλεη πην νκαιή ηε ζχλδεζε κε ην δίθηπν ή αθφκε ε ζεκαληηθή ζζελαξφηεηα ηεο έρεη ζαλ απνηέιεζκα ηελ θαιή ζπκπεξηθνξά ζε ππεξθνξηίζεηο. Μεξηθνί θαηαζθεπαζηέο πξνζαξκφδνπλ ζηηο αλεκνγελλήηξηεο ηνπο δχν επαγσγηθέο γελλήηξηεο, κηα κηθξή γηα ηηο πεξηφδνπο πνπ ππάξρνπλ ρακειέο ηαρχηεηεο αέξα θαη κηα κεγαιχηεξε γηα ηεο πεξηφδνπο κε πςειφηεξεο ηηκέο ηαρχηεηαο αέξα. Έλαο άιινο ζρεδηαζκφο είλαη νη επαγσγηθέο γελλήηξηεο κε κεηαβαιιφκελνπο πφινπο, δειαδή γελλήηξηεο πνπ κπνξνχλ λα ιεηηνπξγνχλ κε δηαθνξεηηθφ αξηζκφ πφισλ επνκέλσο θαη κε δηαθνξεηηθή πεξηζηξνθηθή ηαρχηεηα. Απηφο ν ζρεδηαζκφο ζπλερίδεηαη λα 45

51 ζεσξείηαη φηη αλήθεη ζηελ θαηεγνξία ηεο γελλήηξηαο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο φζνλ αθνξά ζηα κεραληθά θνξηία θαη ηελ αιιειεπίδξαζή ηεο κε ην δίθηπν. Σν αλ έρεη αμία λα ρξεζηκνπνηεζνχλ δχν γελλήηξηεο ή έλαο κεγαιχηεξνο αξηζκφο πφισλ γηα ρακειέο ηαρχηεηεο, εμαξηάηαη απφ ηε κνξθή ησλ αλέκσλ ζηε ζπγθεθξηκέλε πεξηνρή θαη ην επηπιένλ θφζηνο ηεο γελλήηξηαο κεηαβιεηψλ πφισλ ζε ζχγθξηζε κε ην φθεινο απφ ηελ παξαγφκελε ελέξγεηα θαη ηελ αχμεζε ζηελ αεξνδπλακηθή απφδνζε. Αθφκα έλα πιενλέθηεκα είλαη φηη ην επίπεδν ηνπ ζνξχβνπ απφ ηα πηεξχγηα κεηψλεηαη ζηηο ρακειφηεξεο ηαρχηεηεο ηνπ ξφηνξα. Ζ εθαξκνγή απηνχ ηνπ ηχπνπ αλεκνγελλήηξηαο είλαη γλσζηή δηεζλψο σο ε Γαλέδηθε εθδνρή (Danish concept) Αλεκνγελλήηξηεο κεηαβιεηήο ηαρύηεηαο Μηα κεραλή κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο, ρξεζηκνπνηεί δηαηάμεηο ειεθηξνληθψλ ηζρχνο πξνθεηκέλνπ λα κεηαβάιεη ηε ηαρχηεηά ηεο αλάινγα κε ηηο αεξνδπλακηθέο ζπλζήθεο ελψ ζπλδέεη ηε γελλήηξηα ζηε ζηαζεξή ζπρλφηεηα ηνπ δηθηχνπ. Σν θχξην πιενλέθηεκα απφ απηφ, είλαη φηη αλάινγα πξνο ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ πξνζαξκφδεηαη θαη ε ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο ηεο αλεκνγελλήηξηαο έηζη ψζηε λα κεγηζηνπνηείηαη ε παξαγφκελε ηζρχο. Δπίζεο, ξηπέο αλέκνπ κπνξνχλ λα επηηξαπνχλ θαη έηζη λα ζηξέςνπλ ην ξφηνξα γξεγνξφηεξα ψζηε ε πεξίζζηα ελέξγεηαο λα απνζεθεχεηαη ζηε κεραλή ζαλ επηπιένλ θηλεηηθή ελέξγεηα κέρξη λα επαλέιζεη ζε θαλνληθή θαηάζηαζε. Πξνθαλψο, γηα λα γίλνπλ φια απηά απαηηείηαη έλαο έμππλνο ζρεδηαζκφο ζηελ εθάζηνηε ζηξαηεγηθή ειέγρνπ, κηαο θαη ζα πξέπεη λα κπνξεί λα μερσξίζεη ηηο ξηπέο αλέκνπ απφ ηηο ζηαζεξέο κεγαιχηεξεο ηηκέο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ. Έλα αθφκα πιενλέθηεκα είλαη φηη νη ζπζθεπέο ησλ ειεθηξνληθψλ ηζρχνο κπνξνχλ λα ειέγμνπλ ηελ άεξγν ηζρχ πξνθεηκέλνπ λα βειηηψζνπλ ηελ πνηφηεηα ηεο ελέξγεηαο ζην ειεθηξηθφ δίθηπν. Απηφ κπνξεί λα είλαη πνιχ ρξήζηκν, ηδίσο αλ ε αλεκνγελλήηξηα είλαη ζπλδεδεκέλε ζε έλα αδχλακν δίθηπν. Ζ κεηαβιεηή ηαρχηεηα δίλεη θαη έλα ζαθέο πιενλέθηεκα ζε ζρέζε κε ηελ εηήζηα παξαγσγή, κηαο θαη είλαη δπλαηφλ λα ιεηηνπξγεί ε κεραλή ζηε βέιηηζηε ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο ζε ζρέζε κε ηνλ άλεκν. Απφ νηθνλνκηθήο άπνςεο απηφ ην πιενλέθηεκα είλαη πην ζεκαληηθφ θαζφζνλ ζπλ ησ ρξφλσ νη δηαηάμεηο ησλ ειεθηξνληθψλ ηζρχνο θνζηίδνπλ φιν θαη ιηγφηεξα ρξήκαηα [9,10]. Έλαο επίζεο ζεκαληηθφο ιφγνο γηα λα ιεηηνπξγεί κηα κεραλή ελ κέξεη ηνπιάρηζηνλ κε κεηαβιεηή ηαρχηεηα είλαη φηαλ απηφ γίλεηαη ζε ζπλδπαζκφ κε ηε ιεηηνπξγία ηνπ ειέγρνπ γσλίαο βήκαηνο ζε επαγσγηθέο γελλήηξηεο. Δίλαη γλσζηφ φηη ν έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο είλαη κηα κεραληθή δηαδηθαζία. Απηφ ζεκαίλεη φηη ν ρξφλνο αληίδξαζεο ηνπ κεραληζκνχ ηνπ έιεγρνπ γσλίαο βήκαηνο έρεη θάπνηα φξηα θαη γεληθά είλαη κεγάινο. Ωζηφζν, αλ ρξεζηκνπνηεζεί κηα γελλήηξηα κε κεηαβιεηή ηαρχηεηα, ε νιίζζεζε ζα είλαη παξάκεηξνο ηνπ ειέγρνπ. Όηαλ ππάξμνπλ ξηπέο αλέκνπ, ν κεραληζκφο ειέγρνπ δίλεη ζήκα λα απμεζεί ε νιίζζεζε ηεο γελλήηξηαο, πξνθεηκέλνπ λα επηηξέςεη ζην ξφηνξα λα θηλεζεί ιίγν πην γξήγνξα ελψ ν κεραληζκφο ηνπ ειέγρνπ γσλίαο βήκαηνο αξρίδεη λα αληαπεμέξρεηαη ζηελ θαηάζηαζε ζηξέθνληαο ηα πηεξχγηα πεξηζζφηεξν εθηφο ηεο πνξείαο ηνπ αλέκνπ. Μφιηο ν κεραληζκφο ηνπ ειέγρνπ γσλίαο βήκαηνο έρεη θάλεη ηε δνπιεηά ηνπ, ε νιίζζεζε κεηψλεηαη θαη πάιη. ε πεξίπησζε πνπ ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ κεησζεί μαθληθά, ε δηαδηθαζία πνπ πξναλαθέξζεθε γίλεηαη αληίζηξνθα. Οπφηε, ην κεραληθφ ζχζηεκα ηνπ ειέγρνπ γσλίαο βήκαηνο ζπκβάιιεη πην ελεξγά ζηε ξχζκηζε ηεο ηαρχηεηαο ηεο κεραλήο θαη ην ειεθηξηθφ ζχζηεκα ειέγρεη ηε ξνπή. 46

52 Σν λα ιεηηνπξγεί κηα γελλήηξηα ζε πςειέο ηηκέο νιίζζεζεο παξάιιεια ζεκαίλεη κεγαιχηεξεο απψιεηεο (κεγαιχηεξα πνζά ζεξκφηεηαο) θαη θαη επέθηαζε κηθξφηεξε απφδνζε. Απηφ δελ απνηειεί πξφβιεκα απφ κφλν ηνπ, κηαο θαη ε κφλε ελαιιαθηηθή ιχζε είλαη λα ζπαηαιεζεί ε πεξίζζηα ελέξγεηα ζηξέθνληαο ηα πηεξχγηα ηεο κεραλήο εθηφο ηεο πνξείαο ηνπ αλέκνπ. Έλα απφ ηα κεγάια νθέιε απηήο ηεο ζηξαηεγηθήο ειέγρνπ πνπ αλαθέξακε λσξίηεξα είλαη ε θαιχηεξε πνηφηεηα παξαγφκελεο ελέξγεηαο. Οη δηαθπκάλζεηο ζηελ παξαγφκελε ελέξγεηα κεηψλνληαη κέζσ ηεο κεηαβνιήο ηεο νιίζζεζεο ηεο γελλήηξηαο θαη κε ην λα απνζεθεχεηαη ε λα ειεπζεξψλεηαη κέξνο ηεο ελέξγεηαο ζαλ θηλεηηθή ελέξγεηα πάλσ ζην ξφηνξα ηεο αλεκνγελλήηξηαο. Ζ νιίζζεζε ζε κηα επαγσγηθή κεραλή είλαη ζπλήζσο πνιχ κηθξή γηα ιφγνπο θαιχηεξεο απφδνζεο, νπφηε ε πεξηζηξνθηθή ηαρχηεηα πνηθίιεη 1-3% κεηαμχ ηεο ιεηηνπξγίαο ελ θελψ αιιά θαη ππφ πιήξεο θνξηίν. Ζ νιίζζεζε σζηφζν, εμαξηάηαη απφ ηελ αληίζηαζε ζηα ηπιίγκαηα ηνπ ξφηνξα ηεο γελλήηξηαο. Όζν κεγαιχηεξε ε αληίζηαζε, ηφζν κεγαιχηεξε θαη ε νιίζζεζε. ηηο επαγσγηθέο γελλήηξηεο έλαο ηξφπνο λα κεηαβιεζεί ε νιίζζεζε θαη θαη επέθηαζε ε ηαρχηεηα είλαη λα κεηαβιεζεί ε αληίζηαζε ζην δξνκέα, φπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα 2.14 ρήκα 2.14 Γελλήηξηα κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο κε κεηαβαιιφκελε αληίζηαζε δξνκέα. Με απηφ ηνλ ηξφπν, ε νιίζζεζε ηεο γελλήηξηαο κπνξεί λα απμεζεί πεξίπνπ θαηά 10%. Ζ ιχζε απηή δίλεη πνιχ πεξηνξηζκέλν εχξνο ηαρπηήησλ. πλήζσο γίλεηαη κε ηε ρξήζε κεραλήο δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα, δειαδή κέζσ ελφο δξνκέα κε ράιθηλα ηπιίγκαηα, ηα νπνία ζπλδένληαη ζε αζηέξα θαη ζπλδένληαη κε εμσηεξηθή κεηαβιεηή αληίζηαζε, ε νπνία ειέγρεηαη απφ έλαλ πξφζζεην ειεθηξνληθφ ζχζηεκα ειέγρνπ γηα ηηο αληηζηάζεηο. Ζ ζχλδεζε ζπλήζσο γίλεηαη κε ςήθηξεο θαη δαθηπιίνπο νιίζζεζεο, πνπ απνηειεί έλα ζαθέο κεηνλέθηεκα. Σα ζηνηρεία ηεο ζχλδεζεο είλαη βαζηθφ φηη είλαη ζηνηρεία πνπ θζείξνληαη εχθνια, πξάγκα πνπ ζεκαίλεη φηη απαηηείηαη πεξηζζφηεξε ζπληήξεζε γηα ηε γελλήηξηα. Έλαο άιινο ηξφπνο γηα λα ιεηηνπξγεί κηα επαγσγηθή γελλήηξηα ζαλ κεραλή κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο είλαη κε ηε ηερληθή πνπ θαίλεηαη ζην παξαθάησ ζρήκα

53 ρήκα 2.15 Γελλήηξηα κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο δηπιήο ηξνθνδνζίαο. Απηή ε ηνπνινγία γλσζηή σο επαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο ρξεζηκνπνηεί κεραλή κε δαθηπιηνθφξν δξνκέα, (ςήθηξεο θαη δαθηπιίνπο νιίζζεζεο), φπνπ ηα ηπιίγκαηα ηνπ δξνκέα είλαη ζπλδεδεκέλα ζε έλαλ ac/dc/ac κεηαηξνπέα ηζρχνο κε κεηαβιεηή ζπρλφηεηα. Ζ θπθιηθή ηαρχηεηα είλαη αλάινγε ηεο δηαθνξάο ηεο ζπρλφηεηαο ηνπ ζηάηε (δίθηπν) θαη ηεο ζπρλφηεηαο ηνπ δξνκέα (κεηαηξνπέαο). Σν εχξνο ηεο ηαρχηεηαο γηα κηα κεραλή κε ηελ ηερληθή απηή είλαη αλάινγε κε ην κέγεζνο ηνπ κεηαηξνπέα. Έλα ζχλεζεο κέγεζνο κεηαηξνπέα είλαη ζην 30% ηεο νλνκαζηηθήο ηζρχνο ηεο γελλήηξηαο πνπ ζπλεπάγεηαη εχξνο ηεο ηαρχηεηαο ζην 30%. Μηα άιιε ηνπνινγία ζηελ ηερληθή ηεο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο ζέιεη ηε γελλήηξηα ζπλδεδεκέλε κε ην δίθηπν κέζσ ελφο αλνξζσηή ζε ζεηξά κε έλαλ αληηζηξνθέα, φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 2.16 Σφηε ε θπθιηθή ηαρχηεηα ηεο κεραλήο κπνξεί λα ειεγρζεί αλεμάξηεηα ηεο ζπρλφηεηαο ηνπ δηθηχνπ. ρήκα 2.16 Γελλήηξηα κεηαβαιιφκελεο ηαρχηεηαο δηπιήο ηξνθνδνζίαο ζπλδεδεκέλε ζε ζεηξά κε αλνξζσηή θαη αληηζηξνθέα. 48

54 Έλα πιενλέθηεκα απηήο ηεο ζπλδεζκνινγίαο, πνπ ιέγεηαη ζπλδεζκνινγία κε dcδηαζχλδεζε, είλαη φηη νη ειεθηξνληθνί κεηαηξνπείο κπνξνχλ λα ειέγμνπλ ηελ άεξγν ηζρχ θαη λα ρξεζηκνπνηήζνπλ ελεξγέο ηερληθέο θηιηξαξίζκαηνο γηα λα βειηηψζνπλ ηελ πνηφηεηα ηεο ελέξγεηαο ζην ειεθηξηθφ δίθηπν. Σν εχξνο ησλ ηαρπηήησλ είλαη απφ 0-100% ηεο νλνκαζηηθήο ηαρχηεηαο, κηαο θαη ν κεηαηξνπέαο κπνξεί λα ρεηξηζηεί ην ζχλνιν ηεο ελέξγεηαο. απηήλ ηελ πεξίπησζε εθηφο ηεο επαγσγηθήο γελλήηξηαο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί ζχγρξνλε γελλήηξηα. Ζ ζπλήζεο επηινγή ηφηε είλαη ζχγρξνλε κεραλή κε κφληκνπο καγλήηεο. Ζ ιχζε απηή πνιιέο θνξέο ζπλνδεχεηαη θαη απφ ζρεδίαζε κεραλήο πνιιψλ δεπγψλ πφισλ (π.ρ. εθαηφ) έηζη ψζηε λα κε ρξεηάδεηαη θηβψηην ηαρπηήησλ Αιιειεπίδξαζε κε ην δίθηπν Οη αλεκνγελλήηξηεο αιιειεπηδξνχλ κε ην δίθηπν. Οη αιιαγέο ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ πξνθαινχλ απμνκεηψζεηο ζηελ παξαγφκελε ελέξγεηα ηεο αλεκνγελλήηξηαο κε απνηέιεζκα νη αλεκνγελλήηξηεο λα επεξεάδνπλ ην δίθηπν θαη ηνπο θαηαλαισηέο, πνπ είλαη ζπλδεδεκέλνη ζε απηφ [11]. Πξνθαλψο ηζρχεη θαη ην αληίζεην, δειαδή αιιαγέο ζην δίθηπν φπσο κεγάιεο κεηαβνιέο ζην δίθηπν ή βξαρπθπθιψκαηα έρνπλ ηηο επηπηψζεηο ηνπο ζηηο αλεκνγελλήηξηεο. Σν θαηλφκελν ηεο δηαθχκαλζεο ηάζεο (flicker), δειαδή ε εκθάληζε κηθξψλ απμνκεηψζεσλ ηεο ηάζεο, είλαη πνιχ ζχλεζεο απνηέιεζκα ηεο επηξξνήο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζην δίθηπν. Απηφ ην θαηλφκελν ζπκβαίλεη φηαλ κηα αλεκνγελλήηξηα είλαη ζπλδεδεκέλε ζε έλα αδχλαην δίθηπν, κηαο θαη κηθξέο απμνκεηψζεηο ηνπ αλέκνπ πξνθαινχλ κεηαβνιέο ζηελ παξαγφκελε ελέξγεηα θαη θαη επέθηαζε κεηαβνιέο ζηε ηάζε. Τπάξρνπλ πνιινί ηξφπνη λα αληηκεησπηζηεί ην ζπγθεθξηκέλν ζέκα ζην ζρεδηαζκφ κηαο αλεκνγελλήηξηαο, κεραλνινγηθά, ειεθηξηθά θαη κε ηε ρξήζε ειεθηξνληθψλ ηζρχνο [12]. Σα ειεθηξνληθά ηζρχνο κπνξεί λα εηζαγάγνπλ αξκνληθέο δηαηαξαρέο ζην ελαιιαζζφκελν ξεχκα ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ, κε απνηέιεζκα λα ρεηξνηεξεχζεη ε πνηφηεηα ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο. Σν πξφβιεκα ησλ αξκνληθψλ δηαηαξαρψλ δεκηνπξγείηαη επεηδή ε δηαδηθαζία θηιηξαξίζκαηνο δελ είλαη ηέιεηα, θαη κπνξεί λα αθήλεη θάπνηα θαηάινηπα, ηα νπνία πνιιαπιαζηάδνληαη απφ ηε ζπρλφηεηα ηνπ δηθηχνπ, ζην εμεξρφκελν ξεχκα. Αλ κηα αλεκνγελλήηξηα είλαη ζπλδεδεκέλε ζε έλα αδχλαην ειεθηξηθφ δίθηπν, κπνξεί λα ππάξρνπλ πξνβιήκαηα φπσο απηά πνπ αλαθέξζεθαλ λσξίηεξα. ε απηέο ηηο πεξηπηψζεηο, κπνξεί λα είλαη απαξαίηεην λα ελδπλακσζεί ην δίθηπν, πξνθεηκέλνπ λα κεηαθέξεη ηελ ηζρχ απφ ηελ αλεκνγελλήηξηα ππφ θαιχηεξε πνηνηηθά θαηάζηαζε. Σν πξφβιεκα ζηε πξαγκαηηθφηεηα είλαη ην ίδην κε ην λα ζπλδέεηαη έλαο κεγάινο θαηαλαισηήο ζην δίθηπν. Μεξηθά απφ ηα πξνβιήκαηα ελφο αδχλακνπ δηθηχνπ κπνξνχλ λα ιπζνχλ κε ηα ρξεζηκνπνηνχκελα ειεθηξνληθά ηζρχνο, ηα νπνία κπνξνχλ λα ειέγμνπλ ηελ θαηαλάισζε αέξγνπ ηζρχνο θαη θαη επέθηαζε ηε ηάζε ζην ζεκείν ζχλδεζεο. Όζνλ αθνξά ηψξα ηελ επίδξαζε ηνπ δηθηχνπ ζηηο αλεκνγελλήηξηεο έρεη παξαηεξεζεί φηη δηάθνξεο πηψζεηο ηάζεηο αιιά θαη νη απαηηήζεηο αέξγνπ ηζρχνο κπνξεί λα 49

55 νδεγήζνπλ ηηο αλεκνγελλήηξηεο εθηφο ιεηηνπξγίαο. Γηα ην ιφγν απηφ, ζήκεξα ζηνπο θαλνληζκνχο ησλ δηθηχσλ είλαη ξεηή ε απαίηεζε γηα ζπγθεθξηκέλε αληνρή ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε ηέηνηεο θαηαζηάζεηο κε αδηάιεηπηε ζπλέρηζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπο ππφ κεησκέλε ηάζε (γλσζηφ ζηε δηεζλή βηβιηνγξαθία θαη σο Fault Ride- Through) Αηνιηθά πάξθα Πξνθεηκέλνπ λα απμεζεί ε παξαγφκελε ελέξγεηα θαη λα αμηνπνηείηαη φζν ην δπλαηφλ πεξηζζφηεξν κηα πεξηνρή κε θαιά αλεκνινγηθά ραξαθηεξηζηηθά, νη αλεκνγελλήηξηεο κπνξνχλ λα ηνπνζεηεζνχλ καδί ζαλ ζχλνιν θαη λα απνηειέζνπλ έλα αηνιηθφ πάξθν. Σα αηνιηθά πάξθα ππάξρνπλ ηφζν ζηε ζηεξηά φζν θαη ζηε ζάιαζζα ζπλήζσο θνληά ζηηο αθηέο θαη γηα απηφ νλνκάδνληαη θαη ππεξάθηηα (offshore) [7] Γηαηάμεηο αηνιηθώλ πάξθσλ Έλα ζρεδηάγξακκα πνπ πεξηγξάθεη κε γεληθφ ηξφπν ηηο δηαηάμεηο αηνιηθψλ πάξθσλ, θαίλεηαη ζην παξαθάησ ζρήκα ρήκα 2.17 Γεληθφ δηάγξακκα δηάηαμεο αηνιηθψλ πάξθσλ. Όπσο θαίλεηαη θαη απφ ην ζρήκα, θάζε αηνιηθφ πάξθν απνηειείηαη απφ δηάθνξα ζηνηρεία φπσο ηηο αλεκνγελλήηξηεο, ην ηνπηθφ δίθηπν ησλ αλεκνγελλεηξηψλ, έλα ζεκείν ζχδεπμεο φισλ ησλ αλεκνγελλεηξηψλ, έλα ζχζηεκα κεηαθνξάο θαη έλα ζεκείν ζχλδεζεο κε ην δίθηπν. Σν ηνπηθφ δίθηπν ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζπλδέεη ηηο αλεκνγελλήηξηεο ζην ζεκείν ζχδεπμεο φισλ ησλ αλεκνγελλεηξηψλ. Οη αλεκνγελλήηξηεο ζπλδένληαη αθηηληθά. ην ζεκείν ζχδεπμεο ε ηάζε απμάλεηαη ζε κηα ηηκή θαηάιιειε γηα ηελ κεηαθνξά. Σφηε ε ελέξγεηα κεηαθέξεηαη κέζσ ηνπ ζπζηήκαηνο κεηαθνξάο ζην ζεκείν ζχλδεζεο κε ην δίθηπν. ην ζεκείν δηαζχλδεζεο γίλεηαη ξχζκηζε ησλ επηπέδσλ ηεο ηάζεο, ηεο ζπρλφηεηαο θαη ηεο αέξγνπ ηζρχνο κε βάζε ηηο απαηηήζεηο ηνπ δηθηχνπ. 50

56 Τπεξάθηηα αηνιηθά πάξθα ηε ζάιαζζα ζπάληα ππάξρνπλ πεξίνδνη απφιπηεο εξεκίαο ηνπ αλέκνπ θαη αλ ππάξμνπλ δηαξθνχλ γηα πάξα πνιχ ιίγν. Οπφηε φπσο είλαη ινγηθφ νη αλεκνγελλήηξηεο αλακέλεηαη λα έρνπλ κεγαιχηεξε απφδνζε ζηε ζάιαζζα απφ φηη ζηε ζηεξηά. Σν αηνιηθφ δπλακηθφ αθφκα θαη ζηα ξερά λεξά (5 κε 15m βάζνο) γχξσ απφ φιε ηελ Δπξψπε ζα κπνξνχζε ζεσξεηηθά λα θαιχςεη κε ηελ απαηηνχκελε ειεθηξηθή ηζρχ φιε ηελ Δπξψπε θαη κάιηζηα κε πνιιαπιάζηα ελέξγεηα απφ απηή πνπ απαηηείηαη [13]. Έλαο απφ ηνπο βαζηθνχο ιφγνπο γηα ηνλ νπνίν άξρηζε λα αλαπηχζζεηαη ε ηδέα ησλ αηνιηθψλ πάξθσλ ζηε ζάιαζζα, είλαη ην γεγνλφο φηη δελ ππάξρνπλ πνιιά θαηάιιεια κέξε ζηε ζηεξηά γηα ηε δεκηνπξγία αηνιηθψλ πάξθσλ. Δμίζνπ ζεκαληηθφο ιφγνο είλαη ην γεγνλφο φηη ζπλήζσο νη άλεκνη ζηε ζάιαζζα έρνπλ πνιχ κεγαιχηεξεο ηηκέο απφ φηη ζηελ ζηεξηά. Μηα αχμεζε θνληά ζην 20% ζηε ηαρχηεηα ησλ αλέκσλ ζε θάπνηα απφζηαζε απφ ηελ ζηεξηά είλαη πνιχ ζχλεζεο θαηλφκελν. Σν γεγνλφο απηφ, ζε ζπλδπαζκφ κε ην φηη ε ελέξγεηα απμάλεηαη κε ηνλ θχβν ηεο ηαρχηεηαο, κπνξεί λα καο δψζεη απφδνζε ελέξγεηαο αθφκα θαη 73% πεξηζζφηεξε. Οηθνλνκηθά βειηηζηνπνηεκέλεο αλεκνγελλήηξηεο, πηζαλφλ δίλνπλ πεξίπνπ 50% πεξηζζφηεξε ελέξγεηα ζηε ζάιαζζα απφ φηη ζηε ζηεξηά. Έλα αθφκα επηρείξεκα ππέξ ησλ ππεξάθηησλ αηνιηθψλ πάξθσλ, είλαη ην γεγνλφο φηη ζπλήζσο ε επηθάλεηα ηεο ζάιαζζαο είλαη επίπεδε θαη ήξεκε. Οπφηε ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ δελ απμάλεηαη ηφζν πνιχ κε ην χςνο ζε ζρέζε κε ηελ επηθάλεηα ηεο ζάιαζζαο, φπσο ζπκβαίλεη ζηε ζηεξηά. Απηφ ζεκαίλεη πσο κπνξεί λα είλαη πην νηθνλνκηθφ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ πην κηθξνί πχξγνη (άξα θαη πην νηθνλνκηθνί) γηα ζαιάζζηα αηνιηθά πάξθα. Βέβαηα ην φθεινο απηφ αληηζηαζκίδεηαη απφ ην απμεκέλν θφζηνο ζεκειίσζεο θαη πάθησζεο ησλ πχξγσλ ζην βπζφ. Ζ δηαθνξά ζηε ζεξκνθξαζία αλάκεζα ζηελ επηθάλεηα ηεο ζάιαζζαο θαη ζηνλ αέξα είλαη πνιχ κηθξφηεξε απφ ηελ αληίζηνηρε ζηε ζηεξηά, ηδηαίηεξα ζηε δηάξθεηα ηεο κέξαο. Οπφηε φπσο είλαη ινγηθφ, ν άλεκνο ζηε ζάιαζζα έρεη ιηγφηεξεο αλαηαξάμεηο απφ φηη ζηε ζηεξηά. Σν γεγνλφο απηφ έρεη ζαλ απνηέιεζκα πνιχ κηθξφηεξε κεραληθή θαηαπφλεζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ πνπ απμάλεη θαηά πνιχ ηε δηάξθεηα δσήο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ. Αο δνχκε έλα παξάδεηγκα απφ έλα ππεξάθηην πάξθν. Σν ζρεδηάγξακκα ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ πάξθνπ θαίλεηαη ζην παξαθάησ ζρήκα 2.18 ε κεγάια αηνιηθά πάξθα ησλ ηζρχο κεγαιχηεξεο ησλ 100 MW ζπλήζσο ρξεζηκνπνηνχληαη εζσηεξηθά ac δίθηπα ησλ 30 κε 33 kv. πλήζσο ζην θέληξν απηψλ ησλ πάξθσλ βξίζθεηαη κηα πιαηθφξκα κε κεηαζρεκαηηζηή 30/150kV (θαη πηζαλφηαηα θαη φια φζα άιια ιεηηνπξγηθά ζηνηρεία ρξεηάδνληαη). Ζ ζχλδεζε κε ηελ μεξά γίλεηαη κέζσ ππνβξπρίσλ θαισδίσλ ησλ 150kV ac ηάζεο. Σα ππνζαιάζζηα θαιψδηα επηβάιιεηαη λα ζαθηνχλ ζην βπζφ πξνθεηκέλνπ λα κεησζνχλ νη θίλδπλνη λα θαηαζηξαθνχλ απφ δηαθφξνπο παξάγνληεο φπσο παξαδείγκαηνο ράξε απφ δίρηπα ςαξέκαηνο. Σα θαιψδηα έρνπλ κεγάιεο ρσξεηηθφηεηεο, νη νπνίεο κπνξεί λα πξνθαιέζνπλ πξνβιήκαηα αλαιφγσο ησλ παξακέηξσλ ηνπ δηθηχνπ θαη ηεο απφζηαζεο απφ ηελ αθηή. Αλ ε απφζηαζε απφ ην δίθηπν πνπ βξίζθεηαη ζηε ζηεξηά είλαη αξθεηά κεγάιε, π.ρ. κεγαιχηεξε απφ 100km [14], ηφηε ε επηθξαηνχζα 51

57 ελαιιαθηηθή ιχζε πνπ ρξεζηκνπνηείηαη είλαη ε ζχλδεζε ηνπ πάξθνπ κε ηε ζηεξηά κε κηα γξακκή πςειήο ηάζεο ζπλερνχο ξεχκαηνο (HVDC - link). ρήκα 2.18 ρεδηάγξακκα ππεξάθηηνπ αηνιηθνχ πάξθνπ Αηνιηθά πάξθα κε ac ζύλδεζε Σα πεξηζζφηεξα αηνιηθά πάξθα πνπ έρνπλ θαηαζθεπαζηεί κέρξη ζήκεξα έρνπλ έλα ειεθηξηθφ ac ζχζηεκα απφ ηηο αλεκνγελλήηξηεο ζην ζεκείν ζχδεπμεο κε ην δίθηπν. Δδψ, ζα παξνπζηαζηνχλ δχν δηαθνξεηηθά ηέηνηα ζπζηήκαηα, ην έλα γηα κηθξά θαη ην άιιν γηα κεγάια αηνιηθά πάξθα. Πξψηα ζα γίλεη αλαθνξά ζηα κηθξά αηνιηθά πάξθα. Σα ac ζπζηήκαηα ζχλδεζεο είλαη θαηάιιεια γηα κηθξά αηνιηθά πάξθα πνπ έρνπλ κηθξή απφζηαζε απφ ην ζεκείν ζην νπνίν πξέπεη λα γίλεη ε κεηαθνξά. Σν ηνπηθφ δίθηπν ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ρξεζηκνπνηείηαη θαη γηα λα ζπλδένληαη αθηηληθά νη αλεκνγελλήηξηεο κεηαμχ ηνπο, αιιά θαη γηα ηε κεηαθνξά ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο ζην ζεκείν δηαζχλδεζεο κε ην δίθηπν, φπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα

58 ρήκα 2.19 Γηάγξακκα κηθξνχ ac αηνιηθνχ πάξθνπ. ε απηφ ην ζχζηεκα, ηα θαιψδηα ζην ηνπηθφ δίθηπν εγθαζίζηαληαη θαηά ζεηξά έλα πξνο έλα απφ ηηο αλεκνγελλήηξηεο ζην ζεκείν ζχλδεζεο (θνηλφο θφκβνο). Απφ ην ζεκείν ζχλδεζεο κέρξη ην ζεκείν δηαζχλδεζεο κε ην δίθηπν ηα θαιψδηα ζπλδένληαη φια καδί. Απηή ε κέζνδνο κεηψλεη ην θφζηνο ηεο εγθαηάζηαζεο κηαο θαη απφ ην ζεκείν ζχλδεζεο φισλ ησλ αλεκνγελλεηξηψλ θαη κεηά έρνπκε ην θφζηνο εγθαηάζηαζεο γηα κφλν έλα θαιψδην. Γηα ηα κεγάια ηψξα αηνιηθά πάξθα, ηα ρξεζηκνπνηνχκελα ζπζηήκαηα ζχλδεζεο είλαη πην παξαδνζηαθά θαη βαζίδνληαη ζην πξνεγνχκελν γεληθφ ζρήκα. Σν ζχζηεκα απηφ έρεη έλα ηνπηθφ δίθηπν αλεκνγελλεηξηψλ, ην νπνίν ιεηηνπξγεί ζε ρακειφηεξα επίπεδα ηάζεο (20-30kV) θαη είλαη ζπλδεδεκέλν ζε έλαλ θνηλφ κεηαζρεκαηηζηή θαη έλα ζχζηεκα κεηαθνξάο πςειήο ηάζεο. Γηα ην ζχζηεκα απηφ θάζε θαιψδην έρεη ην δηθφ ηνπ θφζηνο εγθαηάζηαζεο, κηαο θαη φια ηα θαιψδηα αθνινπζνχλ δηαθνξεηηθέο δηαδξνκέο Αηνιηθά πάξθα κε ac/dc ζύλδεζε ην ζχζηεκα απηφ ε δηαθνξά είλαη πσο ε κεηαθνξά ειεθηξηθήο ελέξγεηαο γίλεηαη κέζσ dc δηαζχλδεζεο. Ζ ζχλδεζε ζηα πάξθα απηά ζπλήζσο αλαθέξνληαη σο ac/dc. Σέηνηνπ είδνπο ζπζηήκαηα πξνηείλνληαη φηαλ ην ζεκείν ζχλδεζεο κε ην δίθηπν βξίζθεηαη καθξηά ή αλ ην ηνπηθφ δίθηπν ζην νπνίν ζπλδέεηαη ην πάξθν δελ είλαη ηζρπξφ. Απηφο ν ηχπνο ζπζηήκαηνο θαίλεηαη ζην παξαθάησ ζρήκα 2.20 ην ζχζηεκα απηφ, ππάξρεη έλα πιήξσο αλεμάξηεην ηνπηθφ ac ζχζηεκα ζην νπνίν θαη ε ηάζε αιιά θαη ε ζπρλφηεηα είλαη πιήξσο ειεγρφκελεο κέζσ ελφο κεηαηξνπέα. Σν πιενλέθηεκα κηαο ηέηνηαο εθαξκνγήο είλαη φηη ε αεξνδπλακηθή θαη ειεθηξηθή απφδνζε κπνξνχλ λα απμεζνχλ ζεκαληηθά. Δδψ ην θφζηνο εγθαηάζηαζεο ησλ θαισδίσλ είλαη παξφκνην κε απηφ ησλ κεγάισλ ac πάξθσλ. Σα δχν θαιψδηα πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηε dc κεηαθνξά, έλα γηα ην ζεηηθφ πφιν θαη έλα γηα ηνλ αξλεηηθφ, ζπλήζσο ηνπνζεηνχληαη καδί κε απνηέιεζκα λα έρεη ην ίδην θφζηνο κε ην λα ηνπνζεηνχληαλ κφλν έλα. 53

59 ρήκα 2.20 Γηάγξακκα κηθηνχ ac/dc αηνιηθνχ πάξθνπ Αηνιηθά πάξθα κε dc ζύλδεζε Γηα ηα αηνιηθά πάξθα απηνχ ηνπ ηχπνπ ππάξρνπλ ηξείο δηαθνξεηηθέο ηνπνινγίεο πνπ κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ. Σα κηθξά θαη κεγάια πάξθα κε dc ζχλδεζε αιιά θαη κηα ηξίηε ζπλδεζκνινγία κε ηηο αλεκνγελλήηξηεο ζπλδεδεκέλεο ζε ζεηξά [15]. Σν ειεθηξηθφ ζχζηεκα γηα ηα κηθξά dc πάξθα θαίλεηαη ζην ζρήκα ρήκα 2.21 Γηάγξακκα κηθξνχ dc αηνιηθνχ πάξθνπ Όπσο θαίλεηαη θαη απφ ην ζρήκα, ην ζχζηεκα απηφ είλαη παξφκνην κε απηφ ησλ κηθξψλ πάξθσλ κε ac ζχλδεζε. Ζ κφλε δηαθνξά είλαη φηη ν κεηαζρεκαηηζηήο εδψ έρεη αληηθαηαζηαζεί απφ έλαλ dc κεηαηξνπέα θαη έλαλ αληηζηξνθέα. Πξνθαλψο, είλαη απαξαίηεηε ε ρξήζε ελφο αλνξζσηή ζε θάζε αλεκνγελλήηξηα. Σν πιενλέθηεκα ησλ κηθξψλ πάξθσλ κε dc δηαζχλδεζε ζε ζρέζε κε ηα κεγάια, είλαη ην ίδην πνπ ηζρχεη θαη ζηα κηθξά πάξθα κε ac δηαζχλδεζε. Σν θφζηνο εγθαηάζηαζεο ησλ θαισδίσλ είλαη επίζεο αληίζηνηρν. 54

60 Όζνλ αθνξά ηψξα ηα κεγάια πάξθα κε dc δηαζχλδεζε, απηά δηαθέξνπλ ζρεηηθά κε ηα αληίζηνηρα ac. Ζ βαζηθή δηαθνξά είλαη φηη κπνξεί λα ρξεηαζηνχλ πεξηζζφηεξνη ηνπ ελφο κεηαηξνπείο πξνθεηκέλνπ λα θηάζεη ε ηάζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζην θαηάιιειν επίπεδν γηα κεηαθνξά. Μφλν φηαλ ε dc ηάζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ είλαη αξθεηά κεγάιε (20-40kV) ηφηε έλαο κεηαηξνπέαο κπνξεί λα είλαη αξθεηφο. Γηα ρακειφηεξεο ηηκέο (5kV) είλαη απαξαίηεηα ηνπιάρηζηνλ δχν ζηάδηα κεηαηξνπήο. ην παξαθάησ ζρήκα θαίλεηαη ε ζπλδεζκνινγία κε δχν ζηάδηα κεηαηξνπέσλ. ρήκα 2.22 Γηάγξακκα κεγάινπ dc αηνιηθνχ πάξθνπ ηελ πεξίπησζε απηή, φπσο θαίλεηαη θαη απφ ην ζρήκα, νη αλεκνγελλήηξηεο ρσξίδνληαη ζε κηθξφηεξεο νκάδεο. Όιεο νη αλεκνγελλήηξηεο ζε θάζε νκάδα ζπλδένληαη κία πξνο κία ζην πξψην επίπεδν κεηαηξνπήο. Ζ πιεπξά ηεο πςειήο dc ηάζεο ηνπ κεηαηξνπέα ζηε ζπλέρεηα ζπλδέεηαη ζε έλαλ άιιν κεγαιχηεξεο ηζρχνο κεηαηξνπέα ζην δεχηεξν επίπεδν κεηαηξνπήο. Ζ ηξίηε ζπλδεζκνινγία παξνπζηάδεηαη ζην ζρήκα 2.23 ρήκα 2.23 Γηάγξακκα dc αηνιηθνχ πάξθνπ κε ηηο αλεκνγελλήηξηεο ζπλδεδεκέλεο ζε ζεηξά. 55

61 ηε ζπλδεζκνινγία απηή νη αλεκνγελλήηξηεο είλαη ζπλδεδεκέλεο ζε ζεηξά πξνθεηκέλνπ λα κπνξνχλ λα παξέρνπλ ηελ θαηάιιειε ηάζε έηζη ψζηε λα κπνξεί λα γίλεη απ επζείαο ε κεηαθνξά. Σα ζπζηήκαηα απηνχ ηνπ είδνπο νλνκάδνληαη ελ ζεηξά dc αηνιηθά πάξθα. Σν πιενλέθηεκα απηνχ ηνπ ζπζηήκαηνο είλαη φηη παξά ην ζρεηηθά κεγάιν κέγεζνο ηνπο, δελ απαηηείηαη ε ρξήζε κεγάισλ dc κεηαηξνπέσλ. Αληίζηνηρα, ην κεηνλέθηεκα απηήο ηεο ηνπνινγίαο είλαη φηη νη dc/dc κεηαηξνπείο ζηηο αλεκνγελλήηξηεο, πξέπεη λα έρνπλ ηε δπλαηφηεηα λα ιεηηνπξγνχλ ζε πνιχ πςειέο ηηκέο ηάζεηο. Απηφ πξέπεη λα ζπκβαίλεη γηαηί ζε πεξίπησζε πνπ κηα αλεκνγελλήηξηα δελ παξέρεη ελέξγεηα κε απνηέιεζκα λα κε κπνξεί λα παξέρεη ηελ απαηηνχκελε ηάζε, ηφηε νη άιιεο αλεκνγελλήηξηεο πξέπεη λα θαιχςνπλ ηελ απψιεηα παξέρνληαο κεγαιχηεξε ηάζε εμφδνπ Κόζηνο παξαγσγήο ελέξγεηαο γηα δηάθνξα αηνιηθά ζπζηήκαηα/πάξθα ην θεθάιαην απηφ γίλεηαη ζχγθξηζε ηνπ θφζηνπο παξαγσγήο ελέξγεηαο γηα έμη δηαθνξεηηθνχο ηχπνπο αηνιηθψλ ζπζηεκάησλ/πάξθσλ. Καη ζηα έμη απηά είδε αηνιηθψλ πάξθσλ έρνπλ γίλεη βειηηζηνπνηήζεηο έηζη ψζηε λα δίλνπλ ην ρακειφηεξν θφζηνο παξαγσγήο Κόζηνο παξαγσγήο ελέξγεηαο Ωο θφζηνο παξαγσγήο ελέξγεηαο πξνζδηνξίδεηαη ην θφζηνο πνπ απαηηείηαη γηα λα παξαρζεί θαη λα απνδνζεί ζην δίθηπν κηα κνλάδα ελέξγεηαο. Απηφ ζεκαίλεη φηη ην ζπλνιηθφ θφζηνο ηεο επέλδπζεο ελφο αηνιηθνχ ζπζηήκαηνο δηαηξείηαη κε ηε ζπλνιηθή ελέξγεηα πνπ απνδίδεηαη ζην θνηλφ ζεκείν ζχλδεζεο κε ην δίθηπν (ζεσξψληαο ηα κεγέζε αλεγκέλα ζε έλα έηνο) [14]. Σν ζπλνιηθφ θφζηνο επέλδπζεο ππνινγίδεηαη ζεσξψληαο φηη ε ζπλνιηθή επέλδπζε γίλεηαη ηνλ πξψην ρξφλν θαη απνζβέλεηαη θαηά ηε δηάξθεηα ηεο δσήο ηνπ αηνιηθνχ πάξθνπ. Δπηπξφζζεηα ζεσξείηαη θάπνην εχινγν κηθξφ επηπιένλ θέξδνο. Ζ ζπλνιηθή ελέξγεηα πνπ απνδίδεηαη ζην θνηλφ ζεκείν ζχλδεζεο κε ην δίθηπν ππνινγίδεηαη σο ην γηλφκελν ηεο κέζεο ηζρχνο πνπ απνδίδεηαη ζην θνηλφ ζεκείν ζχλδεζεο κε ην δίθηπν επί ην κέζν αξηζκφ ησλ σξψλ ιεηηνπξγίαο ζε έλα ρξφλν. Δίλαη θαλεξφ φηη ην παξαπάλσ κέγεζνο πνιιαπιαζηαδφκελν επί ηα έηε δσήο ηνπ αηνιηθνχ πάξθνπ δίλεη ηελ ελέξγεηα ζην ρξφλν δσήο ηνπ πάξθνπ. Ζ κέζε ηζρχο έηζη ππνινγίδεηαη απφ ηε ζρέζε v cutout Pout, AVG Pout ( v) f ( v) dv ( ) v cutin φπνπ v είλαη ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ, v cutin είλαη ε ηαρχηεηα έλαξμεο ηεο ιεηηνπξγίαο ηεο αλεκνγελλήηξηαο θαη v cutout είλαη ε ηαρχηεηα απνθνπήο ηεο αλεκνγελλήηξηαο. Με απηέο ηηο ππνζέζεηο ην θφζηνο παξαγσγήο ελέξγεηαο κπνξεί λα ππνινγηζηεί σο εμήο 56

62 E cost (1 ) n Inv r r 100 (1 ) n K Invest P T r 1 100Pr P ( ) out, AVG out, AVG φπνπ E cost είλαη ην θφζηνο παξαγσγήο ηεο ελέξγεηαο ζε έλα έηνο [EUR/kWh] Inv είλαη ε αξρηθή ζπλνιηθή επέλδπζε [EUR] P out, AVG είλαη ε κέζε εμαγφκελε ηζρχο [kw] T είλαη ν κέζνο ρξφλνο ιεηηνπξγίαο κέζα ζε έλα ρξφλν [h] r είλαη ην επηηφθην [-] n είλαη ν ρξφλνο δσήο ηνπ αηνιηθνχ πάξθνπ [years] Pr είλαη ην θέξδνο επί ηεο % K είλαη ζπληειεζηήο πνπ πξνθχπηεη γηα θάζε ζεσξνχκελν Σ ζε [ 1 h ] Γηα παξάδεηγκα, αλ ζεσξήζνπκε φηη ν ρξφλνο δσήο ηνπ αηνιηθνχ πάξθνπ είλαη 25 ρξφληα, ην επηηφθην 4%, ην θέξδνο 3% θαη ν κέζνο ρξφλνο ιεηηνπξγίαο κέζα ζε έλαλ ρξφλν θαζνξηζζεί γηα πιήξε ιεηηνπξγία ζε 365* h, πξνθχπηεη φηη ην θφζηνο παξαγσγήο γίλεηαη 65% πςειφηεξν απφ ηελ πεξίπησζε πνπ δελ ππάξρεη 6 1 θέξδνο θαη επηηφθην, δειαδή έρνπκε K h ελψ φηαλ δελ ππάξρνπλ θέξδνο θαη επηηφθην ηφηε K h. Tn Όπσο θαίλεηαη θαη απφ ηελ παξαπάλσ ζρέζε, νη απψιεηεο ηνπ αηνιηθνχ πάξθνπ δελ εκθαλίδνληαη άκεζα. Απηφ ζπκβαίλεη γηαηί επεξεάδνπλ ηελ εμίζσζε κε έκκεζν ηξφπν, δειαδή ζπκβάιινληαο ζηελ αχμεζε ή ηε κείσζε ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο. Πξνθεηκέλνπ λα εηζαρζνχλ νη απψιεηεο κε έλαλ πην άκεζν ηξφπν κέζα ζηελ εμίζσζε ηνπ θφζηνπο παξαγσγήο ελέξγεηαο, ζα πξέπεη λα νξηζηεί κηα ελέξγεηα εηζφδνπ. Ζ ελέξγεηα εηζφδνπ ζε έλα αηνιηθφ πάξθν θαζνξίδεηαη ζαλ ηελ ελέξγεηα ζηνλ άμνλα κηαο αλεκνγελλήηξηαο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο, πνπ πξνέξρεηαη απφ ηνλ αέξα, πνιιαπιαζηαζκέλε κε ησλ αξηζκφ ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζην αηνιηθφ πάξθν. Σν θφζηνο ησλ απσιεηψλ ζην αηνιηθφ πάξθν νξίδεηαη σο ε δηαθνξά κεηαμχ ηνπ θφζηνπο παξαγσγήο ηεο ελέξγεηαο πνπ ππνινγίζηεθε κε ηελ πξνεγνχκελε ζρέζε κε βάζε ηε κέζε εμαγφκελε ελέξγεηα, κείνλ ην θφζηνο παξαγσγήο πνπ ππνινγίδεηαη απφ ηνλ πξνεγνχκελν ηχπν κε βάζε ηε κέζε ελέξγεηα εηζφδνπ. Με βάζε απηέο ηηο δηεπθξηλήζεηο ην θφζηνο παξαγσγήο ηεο ελέξγεηαο κπνξεί λα ρσξηζηεί ζε δχν κέξε, φπσο θαίλεηαη ζηελ παξαθάησ ζρέζε E E E K Inv K loss, AVG cost cos t, invest cos t, loss ( ) Pin, AVG Pin, AVG Pout, AVG Inv P φπνπ E cost είλαη ην θφζηνο παξαγσγήο ηεο ελέξγεηαο ζε έλα έηνο [EUR/kWh] E cos t, invest είλαη ην θφζηνο παξαγσγήο ηεο ελέξγεηαο απφ ηελ επέλδπζε ζε έλα έηνο [EUR/kWh] 57

63 E cos t, loss είλαη ην θφζηνο παξαγσγήο ηεο ελέξγεηαο απφ ηεο απψιεηεο ζε έλα έηνο [EUR/kWh] K είλαη ζπληειεζηήο πνπ πξνθχπηεη γηα θάζε ζεσξνχκελν Σ ζε [ 1 h ] Inv είλαη ε αξρηθή ζπλνιηθή επέλδπζε [EUR] P in, AVG είλαη ε κέζε εηζεξρφκελε ηζρχο [kw] P out, AVG είλαη ε κέζε εμαγφκελε ηζρχο [kw] P είλαη ε κέζε ηζρχο απσιεηψλ ζην πάξθν [kw] loss, AVG Απφ ηελ παξαπάλσ εμίζσζε κπνξεί λα γίλεη εκθαλήο ε ζπλεηζθνξά ηεο θάζε κνλάδαο ηνπ αηνιηθνχ πάξθνπ ζην θφζηνο ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο. Απηφ νθείιεηαη ζην γεγνλφο φηη ε επέλδπζε, Inv, είλαη ην άζξνηζκα απφ ηα θφζηε φισλ ησλ κνλάδσλ θαη νη κέζεο απψιεηεο ελέξγεηαο είλαη ην άζξνηζκα ησλ κέζσλ απσιεηψλ ζηελ θάζε κνλάδα. Όια απηά δίλνπλ ζαλ ζπκπέξαζκα φηη ε ζπλεηζθνξά ηεο θάζε κνλάδαο ζην θφζηνο παξαγσγήο, π.ρ. ηεο c 1, νξίδεηαη σο εμήο c1 loss, c1, AVG Ecos t, c1 Ecos t, invest, c1 Ecos t, loss, c1 K K Pin, AVG Pin, AVG Pout, AVG I Inv P ( ) ή ελαιιαθηηθά I c1 c1 loss, AVG Ecos tc, 1 K K Pin, AVG P in, AVG P out, AVG I P φπνπ E cos tc, 1 είλαη ε ζπλεηζθνξά ηνπ c 1 ζην θφζηνο παξαγσγήο ηεο ελέξγεηαο ζε έλα έηνο [EUR/kWh] E cos t, invest, c1 είλαη ζπλεηζθνξά ηνπ c 1 ζην θφζηνο παξαγσγήο ηεο ελέξγεηαο ζε έλα έηνο [EUR/kWh] E είλαη ε ζπλεηζθνξά ηνπ c 1 ζηηο απψιεηεο ζε έλα έηνο [EUR/kWh] cos t, loss, c1 I c1 είλαη ην αξρηθφ θφζηνο επέλδπζεο ηνπ c 1 [EUR] P είλαη ε κέζε ηζρχο απσιεηψλ ζην ζηνηρείν c 1 [kw] loss, c1, AVG Ζ ζρέζε απηή κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα λα ρσξίζεη ην θφζηνο ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο ζε δχν κέξε, ζηε ζπλεηζθνξά ηνπ θφζηνπο ηεο επέλδπζεο ησλ κνλάδσλ θαη ησλ απσιεηψλ. Σν θφζηνο παξαγσγήο γηα ηνπο 6 ηχπνπο ειεθηξηθψλ ζπζηεκάησλ πνπ ζα εμεηαζηνχλ είλαη θαλνληθνπνηεκέλα κε ην θφζηνο παξαγσγήο πνπ αληιήζεθε απφ ην αηνιηθφ πάξθν Horns Rev. χκθσλα κε ην [16,17], ην Horns Rev έρεη εηήζηα παξαγσγή kWh, έλα κέζν αέξα 9.7 m/s θαη θφζηνο επέλδπζεο 2 δηζεθαηνκκχξηα Γαλέδηθεο Κνξψλεο. Σα ζηνηρεία απηά δίλνπλ έλα θφζηνο παξαγσγήο πεξίπνπ 0.28 EUR/kWh. 58

64 ύγθξηζε ηνπ θόζηνπο παξαγσγήο Σν θφζηνο παξαγσγήο γηα θάζε έλα απφ ηνπο 6 ηχπνπο αηνιηθψλ πάξθσλ, δειαδή κηθξνχ ac, κεγάινπ ac, ac/dc, κηθξνχ dc, κεγάινπ dc θαη dc ζε ζεηξά ζπγθξίλνληαη ζηε ζπλέρεηα. ην παξαθάησ ζρήκα θαίλεηαη ην θφζηνο παξαγσγήο ηεο ελέξγεηαο γηα ηηο έμη δηαηάμεηο ησλ αηνιηθψλ πάξθσλ γηα νλνκαζηηθή ηζρχ αηνιηθψλ πάξθσλ 60 MW. ην ζρήκα απηφ, ε ζπλερήο γξακκή αληηπξνζσπεχεη ην κηθξφ ac, ε δηαθεθνκκέλε ην κεγάιν ac, ε δηαθεθνκκέλε γξακκή κε ηηο ηειείεο ην ac/dc, ε γθξη ην κηθξφ dc, ε γξακκή κε ηηο ηειείεο ην κεγάιν dc θαη ε ζπλερήο κε ηνπο αζηεξίζθνπο ην dc ζε ζεηξά. ρήκα 2.24 Γηάγξακκα ζχγθξηζεο ηνπ θφζηνπο παξαγσγήο γηα 6 ηχπνπο αηνιηθψλ πάξθσλ. Αλ ζπγθξηζνχλ νη ηξείο ηχπνη αηνιηθψλ πάξθσλ κε ac ηα απνηειέζκαηα είλαη ιίγν πνιχ αλακελφκελα. Σα κηθξά ac πάξθα είλαη ε θαιχηεξε ιχζε γηα κηθξέο απνζηάζεηο, ηα ac/dc είλαη ε θαιχηεξε ιχζε γηα κεγάιεο απνζηάζεηο θαη ηα κεγάια ac γηα ηηο κέζεο. Σα κηθξά ac πάξθα, φπσο αλαθέξζεθε θαη λσξίηεξα, απνηεινχλ ηε θαιχηεξε ιχζε γηα κηθξέο απνζηάζεηο γηαηί ελψ κπνξεί λα έρνπλ επηπιένλ θφζηνο ιφγσ ησλ πνιιψλ θαισδίσλ κεηαθνξάο ρακειήο ηάζεο, απηφ ην θφζηνο είλαη πνιχ κηθξφηεξν απφ ηα αληίζηνηρα θαιψδηα κεηαθνξάο πςειήο ηάζεο πνπ ζα έπξεπε λα ρξεζηκνπνηεζνχλ γηα απηέο ηηο κηθξέο απνζηάζεηο. Βέβαηα εδψ πξέπεη λα ηνληζζεί πσο ην θφζηνο γηα ηα θαιψδηα κεηαθνξάο ρακειήο ηάζεο απμάλεηαη πάξα πνιχ φζν απμάλεηαη θαη ε απφζηαζε κεηαθνξάο. Ζ θξίζηκε απφζηαζε κεηαθνξάο θαηά ηελ νπνία ηα κεγάια ac γίλνληαη πξνηηκφηεξα είλαη ηα 37 km. Σα ac/dc ζπζηήκαηα έρνπλ έλα πςειφ θφζηνο παξαγσγήο γηα κηθξέο απνζηάζεηο, εμαηηίαο ησλ αθξηβψλ 59

65 κεηαηξνπέσλ πνπ έρνπλ. Σν ζηνηρείν φκσο πνπ ηα θάλεη ηδαληθφηεξεο ιχζεηο γηα κεγάιεο απνζηάζεηο απφ ηα κεγάια ac είλαη ην γεγνλφο φηη ην θφζηνο ησλ dc θαισδίσλ κεηαθνξάο είλαη κηθξφηεξν απφ ην θφζηνο ησλ αληίζηνηρσλ ac. Σα ζπζηήκαηα απηά είλαη πξνηηκφηεξα γηα απνζηάζεηο κεγαιχηεξεο απφ 100 km. Σα κεγάια dc αηνιηθά πάξθα είλαη θαιχηεξα απφ ηα ac/dc ζπζηήκαηα εμαηηίαο ηνπ γεγνλφηνο φηη νη απψιεηεο ζε κία dc αλεκνγελλήηξηα είλαη κηθξφηεξεο απφ απηέο κηαο ac αλεκνγελλήηξηαο. Δπηπιένλ, ην θφζηνο γηα έλα ηνπηθφ dc δίθηπν είλαη κηθξφηεξν απφ έλα ηνπηθφ dc δίθηπν. Δπίζεο νη απψιεηεο ζηνλ dc κεηαζρεκαηηζηή είλαη ιηγφηεξεο απφ ηηο απψιεηεο ζηνλ κεηαηξνπέα. Σα θφζηε απηά είλαη αλεμάξηεηα απφ ηελ απφζηαζε κεηαθνξάο αιιά κηαο θαη ηα δχν απηά ζπζηήκαηα έρνπλ ην ίδην ζχζηεκα κεηαθνξάο (dc θαιψδηα), ην κεγάιν dc αηνιηθφ πάξθν ζα είλαη θαιχηεξν απφ ην ac/dc γηα νπνηνδήπνηε απφζηαζε κεηαθνξάο. Όπσο είλαη αλακελφκελν ηα κηθξά dc ζπζηήκαηα δελ απνηεινχλ θαη πνιχ θαιή ιχζε, κηαο θαη απαηηνχλ έλα κεγάιν dc κεηαζρεκαηηζηή/κεηαηξνπέα. Σν θέξδνο απφ ην ρακειφηεξν θφζηνο ησλ θαισδίσλ αιιά θαη ηηο πηζαλφλ ιηγφηεξεο απψιεηεο είλαη αδχλαηνλ λα αληηζηαζκίζεη ην θφζηνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή θαη ηνπ κεηαηξνπέα. Παξφια απηά, ζπγθξίλνληάο ηα κε ηα κεγάια dc ζπζηήκαηα, ε ιχζε απηή είλαη θαιχηεξε γηα κηθξέο απνζηάζεηο. Απφ ην παξαθάησ δηάγξακκα είλαη εχθνιν θάπνηνο λα δεη φηη ε θαιχηεξε ιχζε γηα απνζηάζεηο κεγαιχηεξεο ησλ κεξηθψλ κφλν km (ηεο ηάμεο ησλ 10km) είλαη ηα ελ ζεηξά dc αηνιηθά πάξθα. Σν γεγνλφο απηφ νθείιεηαη ζην φηη έρνπλ θζελφηεξν ηνπηθφ δίθηπν αλεκνγελλεηξηψλ, dc κεηαθνξά (πνπ είλαη θζελφηεξε απφ ηελ ac) θαη φηη απηφ ην ζχζηεκα έρεη κφλν έλα κεηαηξνπέα. ην επφκελν ζρήκα θαίλεηαη ην θαλνληθνπνηεκέλν θφζηνο παξαγσγήο γηα ηα έμη ζπζηήκαηα γηα νλνκαζηηθή ηζρχ 160 MW [16]. Απηφ πνπ κπνξεί λα παξαηεξεζεί απφ ηα δχν ηειεπηαία δηαγξάκκαηα είλαη φηη ην ζεκείν πξνηίκεζεο αλάκεζα ζηα κηθξά θαη κεγάια ac πάξθα κεηψλεηαη φζν απμάλεηαη ην κέγεζνο ηνπ πάξθνπ. Σν γεγνλφο απηφ νθείιεηαη ζην φηη ε ζπλεηζθνξά ζην θφζηνο παξαγσγήο απφ ην ζχζηεκα κεηαθνξάο κεηψλεηαη φζν απμάλεηαη ην κέγεζνο ηνπ πάξθνπ. Ζ κείσζε απηή είλαη κεγαιχηεξε γηα ηα κεγάια ac ζε ζρέζε κε ηα κηθξά. 60

66 ρήκα 2.25 Γηάγξακκα ζχγθξηζεο ηνπ θαλνληθνπνηεκέλνπ θφζηνπο παξαγσγήο γηα 6 ηχπνπο αηνιηθψλ πάξθσλ. ηε ζπλέρεηα παξαηίζεηαη έλα δηάγξακκα πνπ δείρλεη πσο κεηαβάιιεηαη ην θφζηνο παξαγσγήο ζε ζρέζε κε ηε κέζε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ. ρήκα 2.26 Γηάγξακκα κέζεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ ζε ζρέζε κε ην θφζηνο παξαγσγήο [16]. 61

67 Όπσο θαίλεηαη απφ ην δηάγξακκα, ην θφζηνο απμάλεηαη κε πνιχ γνξγνχο ξπζκνχο φηαλ ε κέζε ηαρχηεηα ηνπ αέξα κεηψλεηαη, π.ρ. ζε κέζε ηαρχηεηα 6.5 m/s ην θφζηνο παξαγσγήο είλαη ζρεδφλ δηπιάζην απφ ην θφζηνο ζηα 10 m/s. Μηα ζεκαληηθή παξαηήξεζε πνπ αμίδεη λα ζεκεησζεί, είλαη φηη ην θφζηνο παξαγσγήο κεηψλεηαη φηαλ απμάλεηαη ε νλνκαζηηθή ηζρχο ηνπ πάξθνπ. ην επφκελν Κεθάιαην ζα δεηρζεί φηη ην θφζηνο ελφο αηνιηθνχ πάξθνπ εμαξηάηαη απφ έλαλ ζηαζεξφ φξν θαη είλαη εθζεηηθά κεηνχκελν ζε ζρέζε κε ηελ αχμεζε ηεο θιίκαθαο ηνπ [18,19]. 62

68 Κεθάιαην 3 Βέιηηζηε ηνπνζέηεζε αλεκνγελλεηξηώλ ζε ζέζεηο αηνιηθώλ πάξθσλ 3.1 Δηζαγσγή Δίλαη πξνθαλέο φηη ε έληαζε ζηελ εθκεηάιιεπζε ησλ ΑΠΔ πνπ εκθαλίδεηαη ηα ηειεπηαία ρξφληα, απαηηεί λέεο, πην βειηηζηνπνηεκέλεο, κεζφδνπο παξαγσγήο ελέξγεηαο κε ηε ρξήζε ηνπ αλέκνπ. Έλαο ηξφπνο ζηε θαηεχζπλζε απηή έρεη λα θάλεη κε ηνλ θαιχηεξν ζρεδηαζκφ ησλ αηνιηθψλ πάξθσλ θαη κε ηελ θαιχηεξε ηνπνζέηεζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε κηα πεξηνρή πνπ παξνπζηάδεη ελδηαθέξνληα αλεκνινγηθά δεδνκέλα. ην θεθάιαην απηφ, εμεηάδεηαη ε βέιηηζηε ηνπνζέηεζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε αηνιηθά πάξθα κε βάζε θξηηήξηα πνπ αλαθέξζεθαλ πην πάλσ. ηελ παξνχζα αλάιπζε ε βειηηζηνπνίεζε γίλεηαη κε θξηηήξην ηε κέγηζηε εκθάληζε κέζεο ηζρχνο ζε ζπλδπαζκφ κε ην ειάρηζην θφζηνο. Γίλεηαη κηα θαηλνχξγηα πξνζέγγηζε, ζε έλα πξφβιεκα πνπ έρεη αλαιπζεί απφ πνιινχο ζην παξειζφλ, κε ηε ρξήζε πηζαλνηηθνχ κνληέινπ. Ζ βειηηζηνπνίεζε έρεη γίλεη κε ηε δεκηνπξγία ελφο πξνγξάκκαηνο δνκεκέλνπ ζε γιψζζα Matlab, βαζηζκέλνπ ζηε Μέζνδν Πξνζνκνίσζεο Μφληε Κάξιν, ελψ νη ππνζέζεηο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη είλαη ίδηεο κε απηέο πνπ έρνπλ θαζηεξσζεί απφ άιινπο εξεπλεηέο, έηζη ψζηε ηα απνηειέζκαηα λα είλαη ζπγθξίζηκα. 63

69 3.2 ύληνκε ηζηνξηθή αλαδξνκή Πνιιέο πξνζπάζεηεο έρνπλ γίλεη κέρξη ζήκεξα ζηελ θαηεχζπλζε ηεο βέιηηζηεο ηνπνζέηεζεο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε αηνιηθά πάξθα. ε πνιχ πξψηκν ζηάδην, θαη κε πνιχ γεληθέο παξαδνρέο, ν Bansal θαη νη ζπλεξγάηεο ηνπ θαηέιεμαλ ζην ζπκπέξαζκα πσο 1000 m 2 /MW, ζπκπεξηιακβαλνκέλσλ θαη ησλ θαηαζθεπψλ, είλαη ε απαηηνχκελε έθηαζε πνπ ρξεηάδεηαη γηα έλα αηνιηθφ πάξθν έηζη ψζηε λα έρεη ηελ βέιηηζηε παξαγσγή [1]. ε κηα πεξηνρή κε πνιιέο αλεκνγελλήηξηεο φπσο είλαη έλα αηνιηθφ πάξθν πνιινί παξάγνληεο, φπσο ε κνξθνινγία ηνπ εδάθνπο, ε ηαρχηεηα θαη ε δηεχζπλζε ηνπ αλέκνπ, αιιά θαη ην κέγεζνο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ είλαη απηνί πνπ ζα θαζνξίζνπλ ηνλ ρψξν πνπ απαηηείηαη λα ππάξρεη κεηαμχ ησλ αλεκνγελλεηξηψλ έηζη ψζηε λα κεηψλεηαη δξαζηηθά ε αιιειεπίδξαζε ηνπο θαηά ηε ιεηηνπξγία ηνπο. Ο Patel θαη νη ζπλεξγάηεο ηνπ ην 1999, ιακβάλνληαο ππφςε ηνπο πξναλαθεξζέληεο παξάγνληεο θαηέιεμαλ ζην ζπκπέξαζκα πσο ε βέιηηζηε ηνπνζέηεζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε έλα αηνιηθφ πάξθν είλαη ζε ζεηξέο 8-12 θνξέο ηε δηάκεηξν ηνπ έιηθα καθξηά ε κία κε ηελ άιιε ζηελ θαηεχζπλζε ηνπ αλέκνπ θαη θνξέο ηε δηάκεηξν ηνπ έιηθα καθξηά ε κία απφ ηελ άιιε ζηε πιάγηα δηεχζπλζε ηνπ αλέκνπ [2]. Σξία ρξφληα αξγφηεξα, ην 2002, ν Ammara θαη νη ζπλεξγάηεο ηνπ ππνζηήξημαλ φηη ην ζπκπέξαζκα ηνπ Patel γηα ηελ αξαηή ηνπνζέηεζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζε κηα πεξηνρή (αηνιηθφ πάξθν) ήηαλ αλαπνηειεζκαηηθφ, κηαο θαη δελ εθκεηαιιεπφηαλ πιήξσο έλα πνιχ κεγάιν κέξνο ηνπ αηνιηθνχ δπλακηθνχ ηνπ πάξθνπ. Έηζη πξφηεηλαλ έλα ζρέδην πνπ ζα έδηλε παξφκνηα παξαγσγή κε ηελ αξαηή ηνπνζέηεζε αιιά ζα είρε πνιχ κηθξφηεξεο απαηηήζεηο γηα ηελ έθηαζε ηεο γεο. Ζ πξνηεηλφκελε φκσο ζρεδίαζε ηνπνζέηεζεο αλεκνγελλεηξηψλ ηνπ Ammara ήηαλ ππεξβνιηθά ζπξξηθλσκέλε [3]. Παξφιν ην γεγνλφο φηη ην ζρέδην ηνπ Ammara θαηάθεξε λα πεξηνξίζεη πάξα πνιχ ηηο απαηηήζεηο ζε γε πνπ είρακε γηα έλα πνιχ κηθξφ αξηζκφ γελλεηξηψλ, ε κέζνδφο ηνπ βαζηδφηαλ πεξηζζφηεξν ζηε δηαίζζεζε θαη νδεγνχζε ζην αληίζεην άθξν απφ απηήλ ηνπ Patel. Μηα πην ζπζηεκαηηθή πξνζέγγηζε έγηλε απφ ην Mosetti [4] θαη ηνπο ζπλεξγάηεο ηνπ θαη αξγφηεξα απφ ηνλ Grady [5] θαη ηνπ ζπλεξγάηεο ηνπ κε ηε ρξήζε ησλ γελεηηθψλ αιγνξίζκσλ σο βαζηθφ εξγαιείν γηα ηελ βέιηηζηε ηνπνζέηεζε αλεκνγελλεηξηψλ ζε αηνιηθά πάξθα. Ο Mosetti θαη νη ζπλεξγάηεο ηνπ ήηαλ νη πξψηνη, ην 1994, πνπ πξνζέγγηζαλ ηελ βέιηηζηε ηνπνζέηεζε αλεκνγελλεηξηψλ ζε αηνιηθά πάξθα κε ηε ρξήζε γελεηηθψλ αιγνξίζκσλ. ηελ εξγαζία ηνπ Mosetti, νη γελεηηθνί αιγφξηζκνη αλαπηχρζεθαλ γηα ηελ απνηίκεζε θαη βειηηζηνπνίεζε ηεο απφδνζεο ησλ αηνιηθψλ πάξθσλ. Δδψ, φιε ε ηδέα ηεο βειηηζηνπνίεζεο βαζίδεηαη ζηελ εχξεζε ησλ βέιηηζησλ απνηειεζκάησλ γηα ηηο ηηκέο ηνπ θφζηνπο εγθαηάζηαζεο θαη ηεο ζπλνιηθήο παξαγφκελεο ελέξγεηαο, γηα ην εθάζηνηε πάξθν πνπ εμεηάδνπκε. Ο Mosetti ρξεζηκνπνίεζε ζρεηηθά απιά αλεκνινγηθά κνληέια αιιά θαη κνληέια θφζηνπο, νχησο ψζηε λα επηθεληξσζεί θαη λα αλαδείμεη πεξηζζφηεξν ηελ απνηειεζκαηηθφηεηα ηνπ αιγνξίζκνπ. Σα απνηειέζκαηα φκσο πνπ παξνπζίαζε δελ αληηθαηφπηξηδαλ νχηε ηελ πην απιή εκπεηξηθή ζρεδίαζε ηνπνζέηεζεο. Ο Grady θαη νη ζπλεξγάηεο ηνπ πξφηεηλαλ κηα θαηλνχξγηα κέζνδν ην 2005, ε νπνία θαη πάιη βαζηδφηαλ ζηνπο γελεηηθνχο αιγφξηζκνπο αιιά ηψξα ήηαλ ζηνρεπκέλε. Σν εληππσζηαθφ είλαη φηη θαηέιεμαλ ζε εληειψο δηαθνξεηηθά απνηειέζκαηα παξφηη νη παξαδνρέο θαη ν θχξηνο θνξκφο ηεο κεζφδνπ ήηαλ ίδηνο κε απηφλ ηνπ Mosetti. ην παξφλ θεθάιαην, παξνπζηάδνπκε κηα 64

70 δηαθνξεηηθή πξνζέγγηζε ηνπ πξνβιήκαηνο ρξεζηκνπνηψληαο ηα ίδηα κνληέια πνπ ρξεζηκνπνίεζαλ ν Mosetti θαη ν Grady θαη κέζσ απηψλ πξνζπαζνχκε λα θηάζνπκε ζε πην βειηηζηνπνηεκέλα θαη ρξεζηηθά απνηειέζκαηα απφ απηέο ηηο δχν πξναλαθεξζείζεο εξγαζίεο, ρξεζηκνπνηψληαο φκσο κηα ηειείσο δηαθνξεηηθή κεζνδνινγία, ε νπνία βαζίδεηαη ζηε Πξνζνκνίσζε Μφληε Κάξιν. Παξά ην γεγνλφο φηη ρξεζηκνπνηνχκε κηα ηειείσο δηαθνξεηηθή πξνζέγγηζε νη ππνζέζεηο είλαη ίδηεο κε απηέο πνπ έθαλαλ νη Mosetti θαη Grady, ψζηε ηα απνηειέζκαηα λα είλαη ζπγθξίζηκα. Έηζη, ζην ηέινο θάλνπκε κηα ζχγθξηζε γηα ηηο ηξεηο απηέο αλαιχζεηο θαη πξνηείλνπκε θάπνηεο γεληθέο θαηεπζχλζεηο γηα ηνλ ζρεδηαζκφ ελφο πάξθνπ. 3.3 Παξαδνρέο θαη κνληέιν ηε κέζνδν πνπ ζα παξνπζηάζνπκε ζηε ζπλέρεηα, φπσο θαη ζε απηέο ησλ Mosetti θαη Grady, ε πεξηνρή πνπ ζέινπκε λα εγθαηαζηήζνπκε ηηο αλεκνγελλήηξηεο καο κνληεινπνηήζεθε ζαλ έλαο ηεηξαγσληθφο πίλαθαο. Σν ζπλνιηθφ κήθνο ηεο θάζε πιεπξάο ηνπ πίλαθα είλαη 2 ρηιηφκεηξα. Ο πίλαθαο απηφο ρσξίδεηαη ζε 100 ηεηξάγσλα, φπνπ ην θάζε έλα απφ απηά ζεσξείηαη σο κηα πηζαλή ζέζε αλεκνγελλήηξηαο. Κάζε θειί ηνπ πίλαθα, ζην θέληξν ηνπ νπνίνπ κπνξνχκε λα ηνπνζεηήζνπκε κηα αλεκνγελλήηξηα, έρεη πιεπξά ίζε κε 200 κέηξα, δειαδή ίζε κε 5 θνξέο ηε δηάκεηξν ηνπ έιηθα, 5D. Οπφηε νη ζπλνιηθέο δηαζηάζεηο είλαη 50D x 50D (2km x 2km). Ο πίλαθαο απηφο παξνπζηάδεηαη ζην ζρήκα 3.1. Ζ θαηεχζπλζε ηνπ αλέκνπ επηιέγεηαη θάζεηα πξνο θάπνηα πιεπξά αθνχ έρεη απνδεηρζεί φηη απνηειεί ηε ρεηξφηεξε πεξίπησζε [2], απφ ηελ άπνςε ηεο αιιεινθάιπςεο. ρήκα 3.1 Πίλαθαο πξνζνκνίσζεο αηνιηθνχ πάξθνπ κε 100 πηζαλέο ζέζεηο αλεκνγελλεηξηψλ 65

71 Σν κήθνο 5D ηεο πιεπξάο θάζε θειηνχ έρεη θαζηεξσζεί εκπεηξηθά [4,5] έηζη ψζηε λα καο εμαζθαιίδεη ην ρψξν πνπ είλαη απαξαίηεηνο γηα λα ηνπνζεηεζνχλ νη αλεκνγελλήηξηεο ρσξίο λα δεκηνπξγείηαη έληνλν πξφβιεκα αιιεινθαιχςεσλ. Ζ επηινγή απηή είλαη κηα ελδηάκεζε ιχζε κεηαμχ ησλ δχν αθξαίσλ ιχζεσλ πνπ πξνηείλνληαη ζην [2] ζε ζρέζε πξνο ηελ θαηεχζπλζε ηνπ αλέκνπ. Σν κέγεζνο ησλ θειηψλ ηνπ πίλαθά καο εμαζθαιίδεη πσο ε θάζε αλεκνγελλήηξηα ζε κηα ζηήιε, ζρεδφλ δελ επεξεάδεη ην θχκα ηνπ αλέκνπ ζηηο άιιεο ζηήιεο. Σν κνληέιν πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηνλ άλεκν, είλαη ην θπκαηηθφ κνληέιν πνπ αλαπηχρζεθε απφ ηνλ N.O.Jensen [6] ην Σν κνληέιν απηφ είλαη έλα ζρεηηθά απιφ κνληέιν θαη είλαη αθξηβψο ην ίδην κε ην νπνίν νη Mosetti θαη Grady έθαλαλ ηηο δηθέο ηνπο αλαιχζεηο. Δδψ ζεσξνχκε φηη ε νξκή δηαηεξείηαη κέζα ζην θχκα, ψζηε ε ηαρχηεηα, v ζε απφζηαζε x πίζσ απφ ηελ αλεκνγελλήηξηα λα είλαη: v x 2a v[1 ] x 2 (1 ( )) r 1 (3.3.1) φπνπ v είλαη ε κέζε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ, x είλαη ε απφζηαζε πίζσ απφ κηα αλεκνγελλήηξηα, r 1 είλαη ε πξνβνιή ηεο αθηίλαο ηνπ πηεξπγίνπ ζε απφζηαζε x θαη α είλαη κηα ζηαζεξά. Όια απηά, κπνξνχκε λα ηα δνχκε θαη γξαθηθά ζην ζρήκα 3.2. ρήκα 3.2 Μεηαβνιή ηεο ηαρχηεηαο πίζσ απφ ηελ αλεκνγελλήηξηα Ζ πξνβνιή ηεο αθηίλαο ηνπ πηεξπγίνπ ζε απφζηαζε x, r 1 ζπλδέεηαη κε ηελ αθηίλα r r κέζσ ηεο ζρέζεο 66

72 r 1 r r 1 a 1 2a (3.3.2) Ζ ηηκή ηνπ α ππνινγίδεηαη εκπεηξηθά απφ ηελ εμήο ζρέζε 0,5 a z ln( ) z 0 (3.3.4) φπνπ z είλαη ην χςνο απφ ην έδαθνο σο ην θέληξν ηεο γελλήηξηαο θαη z 0 είλαη έλαο ζπληειεζηήο πνπ εμαξηάηαη απφ ηελ αλσκαιία ηνπ εδάθνπο. Κάζε ρξνληθή ζηηγκή ζπλαληψληαη ζε κηα αλεκνγελλήηξηα πάλσ απφ έλα θχκαηα αέξα. Αλ απηά ηα θχκαηα ζεσξεζνχλ ζαλ έλα, ηφηε ε θηλεηηθή ηνπ ελέξγεηα ζα ηζνχηαη κε ην άζξνηζκα ηεο θηλεηηθήο ελέξγεηαο ηνπ θάζε ελφο απφ απηά. Σν γεγνλφο απηφ νδεγεί ζηηο ζρέζεηο γηα ηελ ηαρχηεηα πίζσ απφ Ν αλεκνγελλήηξηεο N vx 2 vi 2 (1 ) (1 ) (3.3.5) v v i1 ή v i v v[1 (1 ) N x 2 (3.3.6) i1 v Ζ ελέξγεηα πνπ παξάγεηαη απφ ηνλ άλεκν, ζηηο αλεκνγελλήηξηεο, ζρεηίδεηαη κε ηελ ηαρχηεηα ηνπ ηνπηθνχ αλέκνπ. Σα ραξαθηεξηζηηθά πνπ πξνζδηνξίδνπλ ην ηνπηθφ αλεκνινγηθφ πξνθίι ηεο πεξηνρήο, είλαη, ε δηεχζπλζε, ε έληαζε θαη ε πηζαλφηεηα ηνπ αλέκνπ. Δπίζεο ην χςνο ηεο αλεκνγελλήηξηαο θαη ε δηάκεηξνο ηνπ έιηθα επεξεάδνπλ ηελ εμαγφκελε ελέξγεηα. Πξνθεηκέλνπ λα ππάξμεη βειηηζηνπνίεζε ηνπ αηνιηθνχ πάξθνπ απφ νηθνλνκηθήο άπνςεο, είλαη απαξαίηεην λα κνληεινπνηεζεί ην θφζηνο. Θεσξνχκαη πσο ε αδηάζηαηε πνζφηεηα θόζηνο/έηνο γηα κία αλεκνγελλήηξηα είλαη ίζε κε 1 θαη φηη ε κέγηζηε κείσζε πνπ κπνξεί λα γίλεη ζην θφζηνο είλαη ίζε κε ην 1/3 γηα θάζε αλεκνγελλήηξηα, κε ηελ πξνυπφζεζε φηη εγθαζίζηαηαη έλαο κεγάινο αξηζκφο αλεκνγελλεηξηψλ [4]. Οπφηε ν ζπλνιηθφο ζπληειεζηήο θφζηνπο C(N) κπνξεί λα ππνινγηζηεί σο εμήο: ,00174 N C( N) N( e ) 3 3 (3.3.7) φπνπ Ν είλαη ν ζπλνιηθφο αξηζκφο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ. 67

73 Ο ζπληειεζηήο απηφο πνιιαπιαζηαδφκελνο επί ην φπνην αλεγκέλν εηήζην θφζηνο εγθαηάζηαζεο κηαο αλεκνγελλήηξηαο δίλεη ην πξαγκαηηθφ θφζηνο αλά έηνο. θνπφο ηεο βειηηζηνπνίεζεο είλαη ε κέγηζηε παξαγσγή ελέξγεηαο ππφ ην ειάρηζην θφζηνο. Σν θξηηήξην κε ην νπνίν ζα θαηαιήμνπκε ζην βέιηηζην απνηέιεζκα είλαη ν ζπληειεζηήο εθκεηάιιεπζεο: CN ( ) F P tot (3.3.8) φπνπ P tot είλαη ε ζπλνιηθή εκθαληδφκελε κέζε ηζρχο θαη είλαη αλάινγε πξνο ηελ παξαγφκελε ελέξγεηα (αλ πνιιαπιαζηαζηεί κε ηηο ψξεο ιεηηνπξγίαο ζε έλα ρξφλν) γηα ηηο Ν αλεκνγελλήηξηεο. 3.4 Μέζνδνο Πξνζνκνίσζεο Μόληε Κάξιν Γηα ηελ αλάιπζε πξνβιεκάησλ κεγάισλ δηαζηάζεσλ, φπσο απηφ πνπ έρνπκε λα αληηκεησπίζνπκε ζηε ζπγθεθξηκέλε πεξίπησζε έρνπλ ρξεζηκνπνηεζεί, θαηά ηε δηάξθεηα ησλ ηειεπηαίσλ εηψλ, δχν βαζηθέο κεζνδνινγίεο. Ζ πξψηε απφ ηηο δχν, ε νπνία αλαπηχρζεθε ζηελ Βφξεηα Ακεξηθή θαη ζε θάπνηεο Δπξσπατθέο ρψξεο, είλαη ε Αλαιπηηθή Μέζνδνο. Ζ Αλαιπηηθή Μέζνδνο βαζίδεηαη ζηελ απαξίζκεζε ησλ πεξηπηψζεσλ πνπ πεξηγξάθνπλ ην ζπλνιηθφ ζχζηεκα. Ζ δεχηεξε κέζνδνο, ε νπνία αλαπηχρζεθε ζηελ Ηηαιία, ηελ Γαιιία θαη πνιιέο άιιεο ρψξεο, βαζίδεηαη ζηελ Πξνζνκνίσζε Μφληε Κάξιν γηα ηελ αλάιπζε ηνπ ζπζηήκαηνο [7]. ηελ αλαιπηηθή Μέζνδν αληηκεησπίδνπκε κφλν ηηο πην βαζηθέο πεξηπηψζεηο ηνπ ζπζηήκαηνο, βαζηδφκελνη ζηα θξηηήξηα πνπ έρνπκε ζεζπίζεη ζηελ αξρή ηεο αλάιπζεο καο. Απφ ηελ άιιε, ζηε κέζνδν Πξνζνκνίσζεο Μφληε Κάξιν έρνπκε λα αληηκεησπίζνπκε ην ζχλνιν ησλ πεξηπηψζεσλ, γεγνλφο πνπ είλαη πνιχ ζεκαληηθφ ζηε ζπγθεθξηκέλε πεξίπησζε, κηαο θαη θάζε μερσξηζηφ ζχλνιν ηνπνζέηεζεο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ, πνπ έρνπκε ζηε δηάζεζε καο, κπνξεί λα είλαη θαη ην βέιηηζην. Γηα ην ιφγν απηφ επηιέγεηαη λα ρξεζηκνπνηεζεί ε κέζνδνο Πξνζνκνίσζεο Μφληε Κάξιν αληί ηεο Αλαιπηηθήο Μεζφδνπ. Ζ κέζνδνο Πξνζνκνίσζεο Μφληε Κάξιν είλαη κηα κέζνδνο πνπ βαζίδεηαη ζηε ρξήζε ησλ ηπραίσλ αξηζκψλ. Σα πξνβιήκαηα πνπ ρεηξίδεηαη ε κέζνδνο Μφληε Κάξιν είλαη δχν ηχπσλ, ηα ιεγφκελα πηζαλνηηθά θαη ηα ιεγφκελα ληεηεξκηληζηηθά, ζχκθσλα κε ην αλ ζπλδένληαη άκεζα ή φρη κε ηε ζπκπεξηθνξά θαη ην απνηέιεζκα ηεο ηπραίαο δηαδηθαζίαο [8]. ε απηή ηελ εξγαζία είρακε λα αληηκεησπίζνπκε έλα πηζαλνηηθφ πξφβιεκα. Έλα ζχλεζεο παξάδεηγκα ρξήζε ηεο κεζφδνπ Μφληε Κάξιν είλαη ην πξφβιεκα ηεο εχξεζεο ηνπ εκβαδνχ δχν παξαιιεινγξάκκσλ. Αο ρξεζηκνπνηήζνπκε γηα παξάδεηγκα ηα δχν παξαιιειφγξακκα πνπ θαίλνληαη ζην παξαθάησ ζρήκα

74 ρήκα 3.3 Γχν παξαιιειφγξακκα δηαθνξεηηθνχ εκβαδνχ ην έλα κέζα ζην άιιν. Σν κεγάιν παξαιιειφγξακκν έρεη έλα εκβαδφ πνπ είλαη γλσζηφ ζε εκάο θαη ζθνπφο καο είλαη λα βξνχκε ηε ηηκή ηνπ εκβαδνχ ηνπ κηθξφηεξνπ παξαιιεινγξάκκνπ πνπ είλαη άγλσζην ζε καο. Γηα λα γίλεη απηφ ζα πξέπεη λα πάξνπκε αξθεηά ηπραία ζεκεία ζην ρψξν πνπ θαζνξίδνπλ ηα δχν παξαιιειφγξακκα. Σα ζεκεία απηά κπνξνχλ λα είλαη είηε κέζα ζην κηθξφηεξν είηε ζηνλ ελδηάκεζν ρψξν. Με ηελ ηνπνζέηεζε απηψλ ησλ ζεκείσλ ην ζρήκα, έζησ φηη ζα έρνπκε ην ζρήκα 3.4. ρήκα 3.4 Γχν παξαιιειφγξακκα δηαθνξεηηθνχ εκβαδνχ ην έλα κέζα ζην άιιν θαη δηάθνξα ζεκεία ζην ρψξν. Με βάζε ηελ αλαινγία πνπ δηακνξθψλεηαη κεηαμχ ησλ ζεκείσλ πνπ βξίζθνληαη κέζα θαη έμσ απφ ην κηθξφηεξν παξαιιειφγξακκν θαη γλσξίδνληαο ην εκβαδφ ηνπ κεγαιχηεξνπ παξαιιειφγξακκνπ, κπνξνχκε λα θάλνπκε κηα εθηίκεζε γηα ην εκβαδφ ηνπ κηθξφηεξνπ. Δπεηδή ε κέζνδνο Πξνζνκνίσζεο Μφληε Κάξιν είλαη κηα επαλαιεπηηθή κέζνδνο, κε πεξηζζφηεξεο επαλαιήςεηο κπνξνχκε λα θηάζνπκε ζην δεηνχκελν απνηέιεζκα κε βάζε ηελ αθξίβεηα πνπ έρνπκε θαζνξίζεη. Βεβαία φζν κεγαιχηεξνο είλαη ν αξηζκφο ησλ ηπραίσλ ζεκείσλ, ηφζν ζπληνκφηεξα ζα θηάζνπκε ζην επηζπκεηφ απνηέιεζκα. 69

75 Power (kw) Ζ εθαξκνγή ηεο Πξνζνκνίσζεο Μφληε Κάξιν πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζηε δηθή καο αλάιπζε, είλαη ε ηπραία ηνπνζέηεζε αλεκνγελλεηξηψλ ζε κηα ζπγθεθξηκέλνπ κεγέζνπο έθηαζε φπσο πεξηγξάθεθε ζηελ αξρή ηνπ θεθαιαίνπ 3.3 θαη θαίλεηαη ζην ζρήκα 3.1. ηε ζπλέρεηα ρξεζηκνπνηψληαο ηνπο καζεκαηηθνχο ηχπνπο αιιά θαη ηνπο πεξηνξηζκνχο πνπ αλαθέξακε λσξίηεξα, ππνινγίδνπκε γηα θάζε ηπραία ηνπνζέηεζε ην ζπληειεζηή εθκεηάιιεπζεο F θαη θξαηάκε θάζε θνξά ηελ θαιχηεξε ιχζε αιιά θαη φιεο ηηο ιχζεηο κε ζπληειεζηή εθκεηάιιεπζεο F θαιχηεξν απφ ηηο βέιηηζηεο ιχζεηο ησλ Mosetti θαη Grady. αλ ηπραίεο κεηαβιεηέο ζεσξνχληαη ε ζέζε θαη ν αξηζκφο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ. 3.5 Αξηζκεηηθή Μέζνδνο Ο ηχπνο αλεκνγελλεηξηψλ, πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε είλαη επίζεο ν θαζηεξσκέλνο ζηηο εξγαζίεο [4,5], κε ραξαθηεξηζηηθά πνπ αληηζηνηρνχλ ζε αλεκνγελλήηξηεο 650 kw θαη δίλνληαη ζην πίλαθα 3.1 Υαξαθηεξηζηηθά Αλεκνγελλήηξηαο Ύςνο πχξγνπ (z) Γηάκεηξνο πηεξπγίνπ (2r r ) 60m 40m Πίλαθαο 3.1 ηνηρεία αλεκνγελλήηξηαο. Ζ θακπχιε ηζρχνο γηα απηφλ ην ηχπν αλεκνγελλήηξηαο θαίλεηαη παξαθάησ ζην ζρήκα Wind speed (m/s) ρήκα 3.5 Γηάγξακκα ηζρχνο ζε ζρέζε κε ηελ ηαρχηεηα ηνπ αέξα. 70

76 Ζ ηζρχο κε βάζε ην παξαπάλσ δηάγξακκα, ζχκθσλα κε ην [4] ππνινγίδεηαη απφ ηελ εμήο ζρέζε: P N 3 0,3vi (3.5.1) i Γηα ηελ αλσκαιία ηνπ εδάθνπο ζεσξνχκε ην ζπληειεζηή z 0 ίζν κε 0.3m [4]. 3.6 Πξνζνκνίσζε θαη Απνηειέζκαηα ηελ αλάιπζε καο ρξεζηκνπνηήζεθε έλα αηνιηθφ πάξθν ηεηξαγσληθνχ ζρήκαηνο ρσξηζκέλν ζε 100 πηζαλέο ζέζεηο αλεκνγελλεηξηψλ φπσο απηφ πνπ πεξηγξάθεθε ζην Κεθάιαην 3.3. Δμεηάζηεθε ε πεξίπησζε φπνπ έρνπκε άλεκν κνλήο θαη ζηαζεξήο θαηεχζπλζεο κε κέζε ηαρχηεηα αλέκνπ v=12m/s. Όινη νη ππνινγηζκνί μεθηλνχλ απφ ηπραίν ζεκείν πνπ ην πξφγξακκα απνθαζίδεη, κηαο θαη ε Μέζνδνο Πξνζνκνίσζεο Μφληε Κάξιν είλαη κηα κέζνδνο πνπ έρεη ζαλ βάζε ηε ρξεζηκνπνίεζε ησλ ηπραίσλ αξηζκψλ. ην πξφγξακκα πνπ αλαπηχμακε εθηφο απφ ην βέιηηζην απνηέιεζκα έρνπκε πξνγξακκαηίζεη λα θξαηηνχληαη θαη φια ηα απνηειέζκαηα πνπ έρνπλ θαιχηεξν ζπληειεζηή ρξεζηκνπνίεζεο απφ απηφ ησλ αλαιχζεσλ ησλ Mosetti θαη Grady. Αθνχ νινθιεξσζεί ε δηαδηθαζία παξαηεξνχκε φηη έρνπκε έλα κεγάιν ζχλνιν πεξηπηψζεσλ κε ηηκέο ηνπ ζπληειεζηή εθκεηάιιεπζεο θαιχηεξεο ζε ζρέζε κε ησλ Mosetti θαη Grady. ηε ζπλέρεηα γίλεηαη ζχγθξηζε κεηαμχ ησλ απνηειεζκάησλ ηεο δηθήο καο αλάιπζεο κε ηα αληίζηνηρα ησλ αλαιχζεσλ ηνπ Mosetti θαη ηνπ Grady. Σα απνηειέζκαηα ζρεκαηηθά θαίλνληαη ζην ζρήκα 3.6 [4,5,9]. 71

77 ρήκα 3.6 Απνηειέζκαηα ησλ 3 αλαιχζεσλ: a) ηνπ Mosetti, b) ηνπ Grady, c) ηεο δηθήο καο κεηά ηελ εμέηαζε ησλ κηζψλ πεξηπηψζεσλ θαη d) ηεο δηθήο καο κεηά ηελ εμέηαζε φισλ ησλ πεξηπηψζεσλ. ην παξαπάλσ ζρήκα βιέπνπκε ηηο πξνηεηλφκελεο βέιηηζηεο ηνπνζεηήζεηο γηα ηηο ηξεηο πεξηπηψζεηο. ην ζρήκα (a) βιέπνπκε ηα βέιηηζηα απνηειέζκαηα ηεο αλάιπζεο ηνπ Mosetti θαη ζην ζρήκα (b) ηα βέιηηζηα απνηειέζκαηα ηεο αλάιπζεο ηνπ Grady. ην ζρήκα 3.6 d έρνπκε ηε βέιηηζηε ιχζε ζηελ νπνία έρεη θαηαιήμεη ε δηθή καο κέζνδνο, ελψ ζην ζρήκα 3.6 c έρνπκε επηιέμεη απζαίξεηα ηε θαιχηεξε ιχζε αλάκεζα ζηηο πεξηπηψζεηο πνπ ηεξνχζαλ ην δεχηεξν θξηηήξην πνπ είρακε ζέζεη, κέζα απφ ην πξψην κηζφ ηνπ ζπλφινπ ησλ πεξηπηψζεσλ πνπ εμεηάζηεθαλ. Σα απνηειέζκαηα πνπ εμήρζεζαλ θαη γηα ηηο 3 αλαιχζεηο παξαηίζεληαη ζηνλ πίλαθα

78 Αξηζκόο αλεκνγελλεηξηώλ a b c d Μέζε ηζρύο (kw) F Πίλαθαο 3.2 Αξηζκεηηθά απνηειέζκαηα γηα ηηο ηέζζεξεηο αλαιχζεηο. ηνλ παξαπάλσ πίλαθα 3.2 γίλεηαη κηα ζχγθξηζε ησλ ηξηψλ αλαιχζεσλ βαζηζκέλε ζε ηξία ραξαθηεξηζηηθά ζηνηρεία: ηνλ αξηζκφ ησλ αλεκνγελλεηξηψλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ ζε θάζε κειέηε, ηε κέζε ηζρχ πνπ παξάρζεθε θαη ην ζπληειεζηή εθκεηάιιεπζεο F. Ξαλά φπσο ζηα παξαπάλσ ζρήκαηα ην (α) αληηζηνηρεί ζην Mosetti, ην (b) ζηνλ Grady θαη ηα (c) θαη (d) ζηα δχν απνηειέζκαηα ηεο δηθήο καο αλάιπζεο. ηε δηθή καο αλάιπζε επηηεχρζεθε πνιχ κεγαιχηεξε παξαγσγή θαη ζηηο δχν πεξηπηψζεηο, κηαο θαη ε κέζε παξαγφκελε ηζρχο είλαη kw ζηελ πεξίπησζε (c) θαη αθφκα κεγαιχηεξε ζηελ πεξίπησζε (d) (16395 kw), ζπγθξηλφκελε κε ηα kw ηνπ Mosetti θαη ηα kw ηνπ Grady. Δίλαη ζεκαληηθφ λα επηζεκάλνπκε φηη ζηελ πεξίπησζε (c), αλ θαη έρνπκε κεγαιχηεξε παξαγσγή κε πεξηζζφηεξεο αλεκνγελλήηξηεο απφ φηη ν Mosetti, ρξεζηκνπνηνχκε ιηγφηεξεο αλεκνγελλήηξηεο απφ ηνλ Grady ηνπ νπνίνπ ε αλάιπζε ζεσξείηαη σο βειηηζηνπνίεζε ηεο κειέηεο ηνπ Mosetti. Βεβαίσο ζηε πεξίπησζε (d) έρνπκε πεξηζζφηεξεο αλεκνγελλήηξηεο απφ φηη ζηηο άιιεο ηξεηο πεξηπηψζεηο, γεγνλφο πνπ ζα κπνξνχζε ίζσο λα εμεγήζεη ζε θάπνην βαζκφ ηε κεγάιε ηηκή κέζεο ηζρχνο, αιιά ηαπηφρξνλα ππάξρεη θαη θαιπηέξεπζε ηνπ θξηηεξίνπ, δειαδή ηνπ ζπληειεζηή εθκεηάιιεπζεο F. Όπσο αλαθέξζεθε θαη λσξίηεξα, ν βαζηθφο ζπληειεζηήο πνπ ζα θαζνξίζεη ην αλ έρεη επηηεπρζεί βειηηζηνπνίεζε, ζε ζχγθξηζε βέβαηα κε ηηο άιιεο δχν αλαιχζεηο, είλαη ν ζπληειεζηήο εθκεηάιιεπζεο F. ηελ πεξίπησζε (a) έρνπκε κηα ηηκή ίζε κε , ζηε δεχηεξε (b) έρνπκε κηα ηηκή ίζε κε θαη ζηε δηθή καο αλάιπζε πεηχρακε λα έρνπκε αθφκα κηθξφηεξεο ηηκέο ίζεο κε γηα ηελ πεξίπησζε (c) θαη αθφκε κηθξφηεξε, ηελ κηθξφηεξε φισλ, ζηελ πεξίπησζε (d). Σα ηέζζεξα απηά απνηειέζκαηα ηνπ ζπληειεζηή απηνχ απνδεηθλχνπλ φηη ζηελ πξνηεηλφκελε αλάιπζε επεηεχρζεζαλ θαιχηεξα απνηειέζκαηα, θαη γηα ηηο δχν πεξηπηψζεηο, ζε ζρέζε κε ηα αληίζηνηρα απνηειέζκαηα ησλ Mosetti θαη Grady. Ζ επίηεπμε θαιχηεξσλ απνηειεζκάησλ κε ηε κέζνδν Μφληε Κάξιν πνπ είλαη έλαο αιγφξηζκνο απφιπηα ηπραίαο ινγηθήο ζε ζρέζε πξνο ηηο πξνεγνχκελεο κεζφδνπο πνπ βαζίδνληαη ζε αιγνξίζκνπο πην ζηνρεπκέλνπο θαη κε βάζε ηε ζχγθξηζε ησλ απνηειεζκάησλ κεηαμχ ηνπο κπνξνχκε λα θάλνπκε ηα παξαθάησ ζρφιηα: Όινη νη αιγφξηζκνη ζπγθιίλνπλ ζε ζπγθξίζηκν ελ ηέιεη αξηζκφ αλεκνγελλεηξηψλ πνπ κπνξνχλ λα ηνπνζεηεζνχλ ζε κηα ζπγθεθξηκέλε πεξηνρή θαη ππφ ηηο παξαδνρέο πνπ έγηλαλ. Ο αξηζκφο απηφο δελ μεπεξλά ην 1/3 ησλ δπλαηψλ ζέζεσλ πνπ είλαη δηαζέζηκεο (δειαδή νη ιχζεηο ηνπνζεηνχληαη γηα Ν=26-32). Γηα ηελ θαηαλνκή ηψξα ησλ ζέζεσλ απηψλ ζην ρψξν δελ κπνξνχκε λα βξνχκε θάπνηα ζπζρέηηζε νχηε κεηαμχ ησλ δηαθνξεηηθψλ κεζφδσλ αιιά νχηε θαη κεηαμχ ησλ 73

79 δχν βέιηηζησλ ιχζεσλ ηεο πξνηεηλφκελεο κεζφδνπ Μφληε Κάξιν. Γηα απιήο νπηηθήο επηζεψξεζεο κφλν θαίλεηαη απιά ην δηάζπαξην ηεο θαηαλνκήο. Με βάζε ηα παξαπάλσ ζρφιηα κπνξνχκε λα ζπκπεξάλνπκε ηα εμήο: Οη παξαδνρέο πνπ έγηλαλ (5D πιεπξά θειηνχ, θαηεχζπλζε ηνπ αλέκνπ θιπ) δείρλνπλ λα είλαη επαξθείο γηα ηελ φπνηα δηάζπαξηε γεσγξαθηθή θαηαλνκή αξθεί ν ζπλνιηθφο αξηζκφο λα είλαη ην πνιχ ζην 1/3 ησλ δηαζέζηκσλ ζέζεσλ. Γειαδή, νπζηαζηηθά έρνπκε ιχζε κε βειηηζηνπνίεζε σο πξνο ηνλ αξηζκφ αιιά αδηάθνξε σο πξνο ηηο ζπγθεθξηκέλεο ζέζεηο. Απηφ βέβαηα (ε ηπραηφηεηα) εληζρχεηαη θαη απφ ηελ απφδνζε ηεο Μφληε Κάξιν ζε ζρέζε πξνο ηηο άιιεο ηερληθέο θαη ελψ κπνξεί λα θαλεί σο κεηνλέθηεκα, ζηελ πξαγκαηηθφηεηα δελ είλαη γηαηί πξαθηηθά δίλεη ηελ ειεπζεξία επηινγήο ηνπ δηάζπαξηνπ ησλ ζέζεσλ αλάινγα κε ηηο ζπγθεθξηκέλεο δπλαηφηεηεο ηεο πεξηνρήο (αλάγιπθν, πξφζβαζε, φριεζε πεξηβάιινληνο θιπ). 74

80 Κεθάιαην 4 Αξρέο ιεηηνπξγίαο θαη ειέγρνπ ησλ αλεκνγελλεηξηώλ κεηαβιεηήο ηαρύηεηαο 4.1 Δηζαγσγή Ζ εμέιημε, ηηο ηειεπηαίεο δεθαεηίεο, ηεο ηερλνινγίαο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ θαη ησλ ειεθηξνληθψλ ηζρχνο έδσζε ηε δπλαηφηεηα γηα πνιιέο πξσηνπνξηαθέο εθαξκνγέο κε ρξήζε δηαθνξεηηθψλ ηνπνινγηψλ, ε θαζεκία απφ ηηο νπνίεο έρεη ηα δηθά ηεο πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηα. ηε ζπλέρεηα ζα γίλεη κηα πξνζπάζεηα λα πεξηγξαθνχλ νη παιηφηεξεο αιιά θαη λεψηεξεο εθαξκνγέο φζνλ αθνξά ζηηο αλεκνγελλήηξηεο αιιά θαη ζηα ειεθηξνληθά ηζρχνο πνπ πξνηείλνληαη ζήκεξα ηφζν ζε κεκνλσκέλεο θαηαζθεπέο φζν θαη ζε αηνιηθά πάξθα. Γχν είλαη νη βαζηθέο θαηεγνξίεο ζηηο νπνίεο ρσξίδνληαη νη αλεκνγελλήηξηεο. Ο δηαρσξηζκφο απηφο έρεη λα θάλεη κε ηελ ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο, νπφηε έρνπκε ηε κηα θαηεγνξία, ηζηνξηθά παιηφηεξε, ε νπνία πεξηιακβάλεη ηηο αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο θαη κηα δεχηεξε, λεψηεξε, ε νπνία πεξηιακβάλεη ηηο αλεκνγελλήηξηεο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο [1]. Ζ ηειεπηαία απηή ηερλνινγία ησλ αλεκνγελλεηξηψλ κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο απνηειεί πιένλ ηελ απνθιεηζηηθή ηερλνινγία ζηα αηνιηθά ζπζηήκαηα θαη σο εθ ηνχηνπ είλαη ηδηαίηεξνπ ελδηαθέξνληνο ηφζν ζε ζεσξεηηθφ επίπεδν φζν θαη ζην πεδίν ηεο εθαξκνγήο. 75

81 4.2 Αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρύηεηαο ηα πξψηα ζηάδηα αλάπηπμεο ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζηελ παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ρξεζηκνπνηήζεθαλ αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο. Μνινλφηη, φπσο είδακε ζην Κεθάιαην 2 (παξάγξαθνο 2.8) ε κέγηζηε κεραληθή ηζρχο πνπ κπνξνχκε λα δεζκεχζνπκε ζε θάζε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ ππαγνξεχεη πξνζαξκνγή ηεο ηαρχηεηαο πεξηζηξνθήο ζε θάπνηα βέιηηζηε ηηκή, ζηηο αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο ε ηαρχηεηα ηνπ δξνκέα δελ πξνζαξκφδεηαη ζχκθσλα κε ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ, αιιά θαζνξίδεηαη απφ ηελ ζπρλφηεηα ηνπ δηθηχνπ, ηελ αλαινγία ηνπ θηβσηίνπ ηαρπηήησλ θαη ην ζρεδηαζκφ ηεο γελλήηξηαο (αξηζκφο πφισλ, ηχπν κεραλήο θιπ.). Αληηπξνζσπεπηηθφηεξνο ηχπνο αλεκνγελλήηξηαο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο είλαη απηφο πνπ ρξεζηκνπνηεί επαγσγηθή γελλήηξηα απεπζείαο ζπλδεδεκέλε ζην δίθηπν, κέζσ ελφο ειεθηξνληθά ειεγρφκελνπ πξννδεπηηθνχ εθθηλεηή (soft starter) θαη ζπζηνηρίαο ππθλσηψλ γηα ηελ αληηζηάζκηζε ηεο αέξγνπ ηζρχνο. Γεληθφηεξα απηνχ ηνπ είδνπο νη αλεκνγελλήηξηεο είλαη έηζη ζρεδηαζκέλεο νχησο ψζηε λα επηηπγράλεηαη κέγηζηε απφδνζε ζε θάπνηα ζπγθεθξηκέλε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ. Ζ νλνκαζηηθή ηζρχο επηηπγράλεηαη ζε επίπεδα ηαρχηεηαο απφ 12 έσο 15 m/s. Ζ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ ζηελ νπνία επηηπγράλεηαη ε νλνκαζηηθή ηζρχο, νλνκάδεηαη νλνκαζηηθή ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ. ε ηηκέο ηαρχηεηαο κηθξφηεξεο ησλ 3 m/s πεξίπνπ, ε αηνιηθή ελέξγεηα πνπ είλαη δηαζέζηκε είλαη αξθεηά πεξηνξηζκέλε θαη νη αλεκνγελλήηξηεο ζηακαηνχλ ηε ιεηηνπξγία ηνπο. ε ηηκέο ηνπ αλέκνπ κεγαιχηεξεο απφ ηελ νλνκαζηηθή, ε αλεκνγελλήηξηα ζα πξέπεη λα πεξηνξίζεη ηελ εηζεξρφκελε ελέξγεηα ζην επίπεδν ηεο νλνκαζηηθήο. Απηφ κπνξεί λα γίλεη κε κεηαβνιή ηεο ζέζεο ησλ πηεξπγίσλ [1]. Γχν είλαη νη θχξηεο κέζνδνη γηα λα γίλεη απηφ. Δίηε ηα πηεξχγηα είλαη ζρεδηαζκέλα κε ηξφπν ψζηε ζηηο κεγάιεο ηαρχηεηεο λα αιιάδεη ε ξνή ηνπ αέξα πάλσ ηνπο δεκηνπξγψληαο ηπξβψδε ξνή κε απνηέιεζκα λα κεηψλνπλ ηελ απφδνζε ηνπο ιφγσ απψιεηαο ζηήξημεο. Δίηε ηα πηεξχγηα ζηξέθνληαη εθηφο ηεο θνξάο ηνπ αλέκνπ, νπφηε έρνπκε έιεγρν γσλίαο βήκαηνο. Γηα λα επηηεπρζεί κηα κεξηθή πξνζαξκνγή ζηε βέιηηζηε ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο θαη κεγαιχηεξε παξαγσγή ελέξγεηαο, νη γελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο θαηαζθεπάδνληαη ζήκεξα κε δηπιά ηπιίγκαηα ζηάηε. Σν έλα ρξεζηκνπνηείηαη ζε κηθξέο ηαρχηεηεο αλέκνπ (έρεη ζπλήζσο 8 πφινπο) θαη ην άιιν ζε κέζεο θαη πςειέο ηαρχηεηεο αλέκνπ (έρεη ζπλήζσο 4-6 πφινπο). Ζ ρξήζε ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζηαζεξήο ηαρχηεηαο εκθαλίδεη θάπνηα πιενλεθηήκαηα θαη θάπνηα κεηνλεθηήκαηα. Σα πιενλεθηήκαηα είλαη φηη ε θαηαζθεπή ηνπο είλαη ζρεηηθά απιή, έρνπλ ρακειφ θφζηνο, είλαη ζζελαξέο κεραλέο θαη αξθεηά αμηφπηζηεο. ηα κεηνλεθηήκαηα θαηαηάζζνληαη ηφζν ην γεγνλφο πσο δελ κπνξεί λα γίλεη έιεγρνο γηα ηε βειηίσζε ηεο πνηφηεηαο ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο ή ηελ θαηαλάισζε αέξγνπ ηζρχνο, ελψ εκθαλίδνληαη κεγάιεο κεραληθέο θαηαπνλήζεηο ζηηο απφηνκεο αιιαγέο ηνπ αλέκνπ. Όιεο νη αλαηαξάμεηο ηνπ αέξα κεηαθέξνληαη ζαλ δηαηαξαρέο ζηε κεραληθή ξνπή θαη ελ ηέιεη κεηαθέξνληαη ζαλ δηαηαξαρέο ζην ειεθηξηθφ δίθηπν. Σν γεγνλφο απηφ κπνξεί λα δεκηνπξγήζεη ζεκαληηθά πξνβιήκαηα ζηε πεξίπησζε πνπ έρνπκε έλα αζζελέο δίθηπν, αθνχ νη δηαηαξαρέο ζηελ ελέξγεηα κπνξεί λα νδεγήζνπλ ζε κεγάιεο δηαηαξαρέο ζηε ηάζε, κε απνηέιεζκα απμεκέλεο απψιεηεο ζηηο γξακκέο [2,3]. 76

82 4.3 Αλεκνγελλήηξηεο κεηαβιεηήο ηαρύηεηαο Σα ηειεπηαία ρξφληα ε ηερλνινγία ησλ αλεκνγελλεηξηψλ κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο, είλαη ε θπξίαξρε ζην ρψξν ηεο παξαγσγήο αηνιηθήο ελέξγεηαο. Όπσο είλαη πξνθαλέο θαη απφ ηελ νλνκαζία ηνπο, νη κεραλέο απηνχ ηνπ ηχπνπ κπνξνχλ λα ιεηηνπξγήζνπλ ζε έλα κεγάιν εχξνο δηαθνξεηηθψλ ηηκψλ ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ νχησο ψζηε λα έρνπκε ηε κέγηζηε αεξνδπλακηθή απφδνζε. Με βάζε ηνλ ηξφπν ιεηηνπξγίαο ησλ κεραλψλ κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο, έρεη γίλεη δπλαηή ε πξνζαξκνγή ηεο πεξηζηξνθηθήο ηαρχηεηαο σ r ηνπ δξνκέα ηεο κεραλήο αλάινγα πξνο ηελ ηαρχηεηα v ηνπ αέξα. Έηζη ν ιφγνο ηαρχηεηαο ησλ αθξνπηεξπγίσλ ι κπνξεί λα δηαηεξεζεί ζηαζεξφο ζε κηα πξνθαζνξηζκέλε ηηκή, ηε βέιηηζηε ι opt, ε νπνία αληηζηνηρεί ζην κέγηζην ζπληειεζηή αεξνδπλακηθήο απφδνζεο C pmax. Όπσο έρεη αλαιπζεί ζην Κεθάιαην 2, ε κέγηζηε παξαγφκελε ηζρχο ηνπ αλέκνπ ηειηθά εμαξηάηαη απφ ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ. Απηφ κπνξεί λα απεηθνληζζεί ζε έλα δηάγξακκα ραξαθηεξηζηηθφ γηα θάζε αλεκνγελλήηξηα. Ζ θακπχιε απηή νλνκάδεηαη ραξαθηεξηζηηθή θακπχιε ειεθηξηθήο ηζρχνο-ηαρχηεηαο αλέκνπ θαη εηθνλίδεηαη ζην ζρήκα 4.1 ρήκα 4.1 Γηάγξακκα ηεο ηαρχηεηαο ζε ζρέζε κε ηελ ηζρχ ηνπ αλέκνπ ην δηάγξακκα απηφ δηαθξίλνπκε ηελ νλνκαζηηθή ηζρχ ηεο γελλήηξηαο P n πνπ αληηζηνηρεί ζηελ νλνκαζηηθή ηαρχηεηα αέξα v n. Γηαθξίλνπκε επίζεο ηελ ηαρχηεηα απνζχδεπμεο v cut-off, ε νπνία είλαη ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ γηα ηελ νπνία δηαθφπηεηαη ε ιεηηνπξγία ηνπ αηνιηθνχ ζπζηήκαηνο. ηελ πεξηνρή κεηά ην v n θαη κέρξη ηελ v cut-off ε αλεκνγελλήηξηα δνπιεχεη κε ζηαζεξή ηαρχηεηα, φζε ε νλνκαζηηθή (ξπζκίδεηαη κε έιεγρν γσλίαο βήκαηνο) ψζηε ε κεραλή λα κε μεπεξλά ηηο νλνκαζηηθέο ηηκέο ιεηηνπξγίαο ηεο. ηελ πεξηνρή απηή έρνπκε πξνθαλψο απφξξηςε ζεκαληηθήο ηζρχνο αιιά πξνέρεη ε αζθαιήο ιεηηνπξγία ζην κέγηζην επηηξεπηφ. Γηαθξίλνπκε ηελ ηαρχηεηα έλαξμεο v cut-in, ε νπνία είλαη ε ειάρηζηε ηαρχηεηα αλέκνπ γηα ηελ νπνία ε γελλήηξηα απνδίδεη σθέιηκε ηζρχ. ε κηθξφηεξεο ηαρχηεηεο νη κεραληθέο απψιεηεο είλαη απαγνξεπηηθέο γηα ηελ απφδνζε σθέιηκεο ηζρχνο. ηελ 77

83 πεξηνρή πξηλ απφ ην v cut-in νη αλεκνγελλήηξηεο ρξεζηκνπνηνχλ κεραληθή πέδεζε ψζηε λα κελ ππάξρεη άζθνπε ιεηηνπξγία θαη κεραληθέο θζνξέο. Ζ πεξηνρή κεηαμχ v cut-in θαη v n είλαη θχξηνπ ελδηαθέξνληνο γηα ηε ιεηηνπξγία κεηαβιεηψλ ζηξνθψλ, αθνχ εθεί επελεξγεί ν θαηάιιεινο έιεγρνο γηα ηελ πξνζαξκνγή ηεο ηαρχηεηαο πεξηζηξνθήο ηεο αλεκνγελλήηξηαο έηζη ψζηε λα έρνπκε ηελ κέγηζηε απνκάζηεπζε ηζρχνο. Όπσο θαη ζηηο γελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο έηζη θαη ζηηο γελλήηξηεο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο έρνπκε θάπνηα πιενλεθηήκαηα θαη θάπνηα κεηνλεθηήκαηα. Σα πιενλεθηήκαηα είλαη αζθαιψο ε απμεκέλε απνκάζηεπζε ηζρχνο, ε βειηησκέλε πνηφηεηα ελέξγεηαο, ε δπλαηφηεηα ξχζκηζεο ηεο αέξγνπ ηζρχνο θαη νη κεησκέλεο κεραληθέο θαηαπνλήζεηο ζηνλ αλεκνθηλεηήξα. Σα κεηνλεθηήκαηα είλαη νη απψιεηεο ζηα ειεθηξνληθά ηζρχνο, ε ρξήζε πεξηζζφηεξσλ ζηνηρείσλ θαη ηέινο ην κεγαιχηεξν θφζηνο ηνπ εμνπιηζκνχ εμαηηίαο ησλ ειεθηξνληθψλ ηζρχνο θαη ηνπ ειέγρνπ. Δπηπιένλ ε εθαξκνγή ηεο ηερλνινγίαο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο έρεη δψζεη ηε δπλαηφηεηα ρξήζεο δηαθφξσλ ηχπσλ γελλεηξηψλ κε απνηέιεζκα λα έρνπκε κηα κεγαιχηεξε ειεπζεξία ζηα δπλαηά ζρήκαηα γελλεηξηψλ, κεηαηξνπέσλ ηζρχνο θαη ηνπ ειέγρνπ ηνπο [4]. 4.4 Μεραληθόο έιεγρνο ηζρύνο ζηνλ αλεκνθηλεηήξα Όιεο νη αλεκνγελλήηξηεο, αθφκα θαη νη ζηαζεξήο ηαρχηεηαο, ζρεδηάδνληαη λα έρνπλ θάπνηνπ είδνπο έιεγρν ηζρχνο. Ο πην πξψηκνο έιεγρνο ηζρχνο είλαη ν κεραληθφο έιεγρνο πνπ εθαξκφδεηαη ζηα πηεξχγηα ηνπ αλεκνθηλεηήξα. Γηάθνξνη κεραληθνί ηξφπνη έρνπλ εθαξκνζηεί πνπ πεξηνξίδνπλ ηηο αεξνδπλακηθέο δπλάκεηο ζην δξνκέα, ζηηο πςειέο ηηκέο ηαρχηεηαο έηζη ψζηε λα κελ ππάξμνπλ δεκηέο ζηελ αλεκνγελλήηξηα [1,29]. Ο πην απιφο, εχξσζηνο θαη θζελφο ηξφπνο ειέγρνπ είλαη ν έιεγρνο απψιεηαο ζηήξημεο (παζεηηθφο έιεγρνο), φπνπ ηα πηεξχγηα είλαη ηνπνζεηεκέλα ζηνλ άμνλα ηεο αλεκνγελλήηξηαο ζε ζηαζεξή γσλία. Ο αεξνδπλακηθφο ζρεδηαζκφο ηεο αλεκνγελλήηξηαο πξνθαιεί ηελ απψιεηα ζηήξημεο ζην ξφηνξα (απψιεηα ηζρχνο) φηαλ ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ ππεξβεί θάπνην ζπγθεθξηκέλν επίπεδν. Απνηέιεζκα ηνπ γεγνλφηνο απηνχ, είλαη ν πεξηνξηζκφο ηεο αεξνδπλακηθήο ηζρχνο ζηα πηεξχγηα. Σέηνηα αξγή ξχζκηζε ηεο αεξνδπλακηθήο ηζρχνο πξνθαιεί κηθξφηεξεο δηαηαξαρέο ζηελ ηζρχ, απφ κηα γξήγνξε κεηαβνιή ζηελ γσλία ησλ πηεξπγίσλ. Μεξηθά απφ ηα κεηνλεθηήκαηα απηήο ηεο κεζφδνπ είλαη φηη εκθαλίδεη κηθξή απφδνζε ζε ρακειέο ηαρχηεηεο, δελ βνήζα ζηελ εθθίλεζε θαη ζε πηζαλέο κεηαβνιέο ζηε κέγηζηε ηζρχ ζηελ κφληκε θαηάζηαζε, εμαηηίαο ησλ κεηαβνιψλ ζηελ ππθλφηεηα ηνπ αέξα θαη ζε νξηζκέλεο πεξηπηψζεηο, ηεο ζπρλφηεηαο ηνπ δηθηχνπ. Έλαο άιινο δεκνθηιήο ηξφπνο ειέγρνπ είλαη ν έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο πηεξπγίσλ (ελεξγφο έιεγρνο), ζηνλ νπνίν ηα πηεξχγηα κπνξνχλ λα ζηξαθνχλ είηε ελάληηα, είηε πξνο ηελ δηεχζπλζε ηνπ αέξα αλάινγα κε ην αλ ε παξαγφκελε ελέξγεηα είλαη πνιχ κεγάιε ε πνιχ κηθξή, αληίζηνηρα. Σα πιενλεθηήκαηα απηνχ ηνπ ηξφπνπ ειέγρνπ είλαη φηη πξνζθέξεη θαιφ έιεγρν ηεο ηζρχνο, βνήζεηα θαηά ηελ εθθίλεζε θαη ζρεδφλ άκεζε δηαθνπή ιεηηνπξγίαο αλ ππάξμεη αλάγθε. Απφ ειεθηξηθή άπνςε, θαιφο έιεγρνο ηεο 78

84 ηζρχνο ζεκαίλεη φηη ζε πςειέο ηαρχηεηεο ε πξαγκαηηθή παξαγφκελε ηζρχο είλαη ε βέιηηζηε θαη βξίζθεηαη πιεζηέζηεξα ζηελ νλνκαζηηθή ηηκή ηεο γελλήηξηαο. Μεξηθά απφ ηα κεηνλεθηήκαηα είλαη ε πνιππινθφηεηα πνπ εηζάγεη ν κεραληζκφο ησλ ζηξεθφκελσλ πηεξπγίσλ θαη νη επηπιένλ αλαηαξάμεηο πνπ ππάξρνπλ ζε κεγάιεο ηηκέο ηαρχηεηαο ηνπ αέξα. Ζ ζηηγκηαία ηζρχο, εμαηηίαο ησλ ξηπψλ ηνπ αλέκνπ θαη ηεο πεξηνξηζκέλεο ηαρχηεηαο πεξηζηξνθήο ησλ πηεξπγίσλ, θπκαίλεηαη γχξσ απφ ηε κέζε ηηκή ηεο. Ο ηξίηνο πηζαλφο ηξφπνο κεραληθνχ ειέγρνπ είλαη ν ελεξγφο έιεγρνο απψιεηαο ζηήξημεο. Όπσο παξαπέκπεη θαη ε νλνκαζία ε απψιεηα ζηήξημεο ησλ πηεξπγίσλ ειέγρεηαη ελεξγά κε πεξηζηξνθή ησλ πηεξπγίσλ. ε ρακειέο ηαρχηεηεο ηα πηεξχγηα ζηξέθνληαη κε ηνλ ίδην ηξφπν φπσο θαη ζηηο αλεκνγελλήηξηεο κε έιεγρν γσλίαο βήκαηνο, πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί κέγηζηε απφδνζε. ε κεγάιεο ηαρχηεηεο αλέκνπ, ηα πηεξχγηα πεγαίλνπλ ζε κεγαιχηεξε απψιεηα ζηήξημεο ζηξεθφκελα ειάρηζηα ζε αληίζεηε θνξά απφ απηή πνπ ζα ζηξέθνληαλ αλ είραλ έιεγρν γσλίαο βήκαηνο. Οη αλεκνγελλήηξηεο κε ελεξγφ έιεγρν απψιεηαο ζηήξημεο επηηπγράλνπλ πην νκαιφ πεξηνξηζκφ ηεο ελέξγεηαο, ρσξίο κεγάιεο δηαηαξαρέο ζηελ ηζρχ απ φηη ζηελ πεξίπησζε ηνπ ειέγρνπ βήκαηνο πηεξπγίσλ. Απηφο ν ηχπνο ειέγρνπ έρεη ην πιενλέθηεκα λα δηαρεηξίδεηαη απμνκεηψζεηο ζηελ ππθλφηεηα ηνπ αέξα. Ο ζπλδπαζκφο κε ηνλ κεραληζκφ γσλίαο βήκαηνο θάλεη πην εχθνιε ηε δηαρείξηζε θαηαζηάζεσλ πνπ ρξεηάδεηαη άκεζε δηαθνπή ιεηηνπξγίαο ηεο αλεκνγελλήηξηαο θαη επηπιένλ βνεζά θαηά ηελ εθθίλεζε. ηε ζπλέρεηα παξαηίζεληαη δπν δηαγξάκκαηα, ηεο κεραληθήο ηζρχνο θαη ηνπ αεξνδπλακηθνχ ζπληειεζηή ηζρχνο γηα δηάθνξεο ηηκέο γσλίαο βήκαηνο θαη γηα θάπνηα ζηαζεξή ηηκή ηαρχηεηαο ηνπ δξνκέα. (α) (β) ρήκα 4.2 (α) Γηάγξακκα ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ ζε ζρέζε κε ηελ παξαγφκελε ηζρχ γηα δηάθνξεο γσλίεο ηνπ β θαη (β) Γηάγξακκα ηνπ ι ζε ζρέζε κε ην C p γηα δηάθνξεο γσλίεο ηνπ β. 79

85 Όπσο θαίλεηαη θαη απφ ην πξψην ζρήκα 4.2(α) αλ ε γσλία βήκαηνο είλαη 0 0 ηφηε ε αλεκνγελλήηξηα παξνπζηάδεη ηε κέγηζηε παξαγφκελε ηζρχ ηεο ζην 1.2 p.u., ελψ γηα ην ίδην εχξνο ηαρπηήησλ αλέκνπ θαη ηελ ίδηα ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο ηνπ δξνκέα αλ ε γσλία βήκαηνο είλαη -1 0 ηφηε ε κέγηζηε παξαγφκελε ελέξγεηα πεξηνξίδεηαη ζην 1 p.u. Όπσο θαίλεηαη ζην δηάγξακκα, ε κέγηζηε ελέξγεηα παξάγεηαη θνληά ζηα 15 m/s πεξίπνπ θαη κεηά κεηψλεηαη γηα κεγαιχηεξεο ηαρχηεηεο. Σα παιηφηεξα ρξφληα ν ζπλδπαζκφο αλεκνγελλεηξηψλ ζηαζεξήο ηαρχηεηαο κε παζεηηθφ έιεγρν απψιεηαο ζηήξημεο ήηαλ ε θπξίαξρε εθαξκνγή ζηελ αγνξά αηνιηθήο ελέξγεηαο. Ο ιφγνο πνπ ζπλέβαηλε απηφ, ήηαλ ε ζαθψο θζελφηεξε ιχζε ειέγρνπ ηεο ηαρχηεηαο, έζησ θαη πεξηνξηζκέλα ζηηο πςειέο ηαρχηεηεο, κε ρξήζε πηεξπγίσλ πνπ δελ απαηηνχλ κεραληζκφ πεξηζηξνθήο. Δπηπιένλ, ηα ειεθηξνληθά ηζρχνο ήηαλ εμαηξεηηθά αθξηβά κε απνηέιεζκα λα πξνηηκνχληαη επαγσγηθέο γελλήηξηεο πνπ ζπλδένληαλ ζην δίθηπν ρσξίο ηε ρξήζε ησλ ζπζθεπψλ απηψλ. Ωζηφζν, γηα κεγάιεο αλεκνγελλήηξηεο επηπέδνπ MW ν παζεηηθφο έιεγρνο απψιεηαο ζηήξημεο απνδείρηεθε φηη δελ ήηαλ ηφζν ιεηηνπξγηθφο. Έλαο πνιχ ζεκαληηθφο ιφγνο είλαη ε αλάγθε γηα επηπιένλ κεραληθή πέδεζε ηεο αλεκνγελλήηξηαο. Αλ ηα πηεξχγηα δελ κπνξνχλ λα ζηξαθνχλ, ηφηε ε αλεκνγελλήηξηα ζα πξέπεη λα έρεη κηα πάξα πνιχ ηζρπξή πέδεζε. Δλψ αλ ρξεζηκνπνηνχληαη πηεξχγηα πνπ έρνπλ ηε δπλαηφηεηα πεξηζηξνθήο ηφηε ε κεγάιε απηή πέδεζε δελ είλαη απαξαίηεηε. Απφ ηελ άιιε αλ ρξεζηκνπνηείηαη έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο, είλαη αξθεηή ε ρξήζε απιά ελφο κηθξνχ κεραληζκνχ πέδεζεο, ε νπνία ιεηηνπξγεί επηθνπξηθά ζην θξελάξηζκα πνπ κπνξεί λα πξνθιεζεί απφ ηελ πεξηζηξνθή ησλ πηεξπγίσλ. Σν δηάγξακκα 4.2 (α) είλαη ζεκαληηθφ γηα ηελ επηινγή ηνπ κεραληθνχ ειέγρνπ ζε αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο. Γηα παξάδεηγκα, ζε πςειέο ηαρχηεηεο αλέκνπ, αλ ππάξρεη κεραληζκφο ειέγρνπ ηεο γσλίαο ηφηε κπνξεί λα γίλεη κηα κηθξή αιιαγή ηεο γσλίαο αξλεηηθή ή ζεηηθή. Έηζη, φηαλ ν άλεκνο έρεη ηαρχηεηα 13 m/s ηφηε έρνπκε παξαγσγή ηζρχνο ζην 1 p.u. γηα γσλία 0 0, ελψ αλ απμεζεί ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ ζηα 16 m/s γηα λα έρνπκε πάιη παξαγσγή ηζρχνο ζην 1 p.u. ε γσλία πξέπεη λα κεηαβιεζεί ζηηο -1 0 (αξλεηηθή γσλία ελεξγφο απψιεηα ζηήξημεο). Με ηνλ ηξφπν απηφ, ηα επίπεδα ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο κπνξνχλ λα δηαηεξεζνχλ θνληά ζηελ νλνκαζηηθή ηηκή ζε φιε ηε πεξηνρή ησλ πςειψλ ηαρπηήησλ ηνπ αέξα. Δπηπξφζζεηα, ππάξρνπλ θαη ηα πιενλεθηήκαηα ηεο ρξήζεο κηθξφηεξνπ θξέλνπ, αιιά θαη ηεο επθνιφηεξεο εθθίλεζεο θαη θξελαξίζκαηνο. Έλαο ζεκαληηθφο αξηζκφο κεγάισλ αλεκνγελλεηξηψλ (1MW θαη πάλσ) θαηαζθεπάδνληαη κε κεραληζκφ ελεξγνχ έιεγρνπ απψιεηαο ζηήξημεο. Σερληθά, νη κεραλέο κε ελεξγφ έιεγρν απψιεηαο ζηήξημεο κνηάδνπλ κε ηηο κεραλέο πνπ έρνπλ έιεγρν γσλίαο βήκαηνο, αθνχ θαη απηέο έρνπλ ζηξεθφκελα πηεξχγηα. Μφιηο ε κεραλή θηάζεη ζηελ νλνκαζηηθή ηεο ηζρχ, θαη είλαη ζηα πξφζπξα λα ππεξθνξηηζηεί, ε κεραλή ζα ζηξέςεη ηα πηεξχγηα ηεο ζε αληίζεηε θαηεχζπλζε απφ απηή πνπ ζα ηα έζηξεθε αλ είρε έιεγρν γσλίαο βήκαηνο. Με άιια ιφγηα, απμάλεη ηε γσλία πξφζπησζεο ζηα πηεξχγηα πξνθεηκέλνπ λα αλαγθάζεη ηα πηεξχγηα λα νδεγεζνχλ ζε κεγαιχηεξε απψιεηα ζηήξημεο, πξνθεηκέλνπ λα ραζεί ε πεξίζζεηα ηζρχνο ηνπ αλέκνπ πνπ ππάξρεη. Έλα απφ ηα πιενλεθηήκαηα ηνπ ελεξγνχ ζε ζρέζε κε ηνλ παζεηηθφ έιεγρν απψιεηαο ζηήξημεο, είλαη φηη ε εμαγφκελε ηζρχο κπνξεί λα 80

86 ειεγρζεί κε κεγαιχηεξε αθξίβεηα. Έλα αθφκα πιενλέθηεκα είλαη φηη ε κεραλή κπνξεί λα ιεηηνπξγεί ζηελ νλνκαζηηθή ηζρχ ζε φιεο ηηο πςειέο ηηκέο ηεο ηαρχηεηαο. Μηα θνηλή αλεκνγελλήηξηα πνπ έρεη παζεηηθφ έιεγρν απψιεηαο ζηήξημεο ζα έρεη ζπλήζσο κηα πηψζε ζηελ παξαγφκελε ελέξγεηα ζε πςειέο ηηκέο ηαρχηεηαο, θαζψο ηα πηεξχγηα πεγαίλνπλ ζε κεγαιχηεξε απψιεηα ζηήξημεο. Έλαο άιινο ηξφπνο γηα ηελ δηαηήξεζε ζηαζεξνχ ηνπ επηπέδνπ παξαγφκελεο ελέξγεηαο ζε πςειέο ηαρχηεηεο, είλαη λα ζηξαθνχλ ηα πηεξχγηα εθηφο ηεο δηεχζπλζεο ηνπ αλέκνπ. Έηζη, γηα ην πξνεγνχκελν παξάδεηγκα, φηαλ ε ηαρχηεηα απμεζεί ζηα 16 m/s, γηα λα δηαηεξεζεί ε παξαγσγή ηζρχνο ζην 1 p.u. ε γσλία, ζχκθσλα κε ην δηάγξακκα, κπνξεί λα απμεζεί ζηηο 13 0 πεξίπνπ (ζεηηθή γσλία έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο πηεξπγίνπ). Σν πιενλέθηεκα ηεο ρξήζεο ηνπ ειέγρνπ γσλίαο βήκαηνο ζε ζρέζε κε ηνλ έιεγρν ελεξγνχ απψιεηαο ζηήξημεο είλαη πσο νη δπλάκεηο θαη ε πίεζε ζηελ αλεκνγελλήηξηα είλαη κηθξφηεξεο. ηηο πεξηπηψζεηο γελλήηξηαο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο φκσο ππάξρεη έλα κεγάιν κεηνλέθηεκα γηα ηε ρξήζε ειέγρνπ γσλίαο βήκαηνο. Σν κεηνλέθηεκα απηφ είλαη φηη ζα ππάξρεη κεγάιε απμνκείσζε ζηε παξαγφκελε ελέξγεηα ζηηο κεγάιεο ηαρχηεηεο αλέκνπ. Γηα λα γίλεη θαιχηεξα αληηιεπηφ απηφ ην γεγνλφο κπνξνχκε λα θέξνπκε έλα παξάδεηγκα κε βάζε ην δηάγξακκα πνπ βιέπνπκε πην πάλσ. Έζησ φηη ε αλεκνγελλήηξηα δνπιεχεη κε ηαρχηεηα αλέκνπ 13 m/s θαη κε γσλία βήκαηνο 6 0, ηφηε ε παξαγφκελε ηζρχο είλαη 1 p.u. Αλ ηφηε ππάξμεη κία αχμεζε ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ ζηα 15 m/s ηφηε απηνκάησο θαη απφηνκα ε παξαγφκελε ελέξγεηα ζα νδεγεζεί ζην 1.3 p.u. Σφηε ν έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο ζα πξέπεη λα πξνθαιέζεη κεηαβνιή ηεο γσλίαο βήκαηνο ζηηο 10 0 πξνθεηκέλνπ λα επηζηξέςεη ζηα ίδηα επίπεδα παξαγφκελεο ελέξγεηαο. Πξνθαλψο κηα λέα αιιαγή ζηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ, ζα πξνθαιέζεη αλάινγε δηαηαξαρή ζηα επίπεδα ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο. Όπσο θαίλεηαη απφ ην πξψην δηάγξακκα απηφ ην πξφβιεκα δελ ηζρχεη ζηελ πεξίπησζε πνπ ππάξρεη έιεγρνο απψιεηαο ζηήξημεο. Αλ ππάξρεη κηα γσλία βήκαηνο -1 0, κπνξνχκε λα δηαπηζηψζνπκε φηη αιιαγέο ζηε ηαρχηεηα ζηηο πεξηνρέο πςειψλ ηαρπηήησλ πξνθαινχλ πνιχ κηθξέο δηαθνξνπνηήζεηο ζηελ παξαγφκελε ηζρχ. Σν γεγνλφο απηφ έρεη νδεγήζεη ζην φηη ζρεδφλ φιεο νη ζηαζεξήο ηαρχηεηαο αλεκνγελλήηξηεο έρνπλ έιεγρν απψιεηαο ζηήξημεο είηε είλαη απηφο ελεξγφο ε παζεηηθφο. Σν δηάγξακκα 4.2 (β) ζπλδέεη ηνλ αεξνδπλακηθφ ζπληειεζηή ηζρχνο κε ην ιφγν ηαρχηεηαο αθξνπηεξπγίνπ γηα δηάθνξεο γσλίεο πεξηζηξνθήο ηνπ πηεξπγίνπ. Ο κέγηζηνο ζπληειεζηήο ηζρχνο εκθαλίδεηαη γηα γσλία 0 0. Γηα γσλίεο κεγαιχηεξεο (ζεηηθέο) ή κηθξφηεξεο (αξλεηηθέο) ν ζπληειεζηήο ηζρχνο κεηψλεηαη. Σν δηάγξακκα απηφ είλαη θαηάιιειν, φπσο ζα δνχκε θαη ζηε ζπλέρεηα, γηα ηελ επηινγή ηνπ κεραληθνχ ειέγρνπ ζε αλεκνγελλήηξηεο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο φπνπ πάληνηε ππάξρεη έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο. ηελ πεξίπησζε απηή, νη δηαηαξαρέο ζηελ εηζεξρφκελε ηζρχ κπνξνχλ λα απαιεηθζνχλ κε αιιαγή ηεο απνζεθεπκέλεο ελέξγεηαο ζην ξφηνξα, δειαδή πξνζαξκφδνληαο ηε ηαρχηεηα ηνπ ξφηνξα. Ο ξφηνξαο ηεο αλεκνγελλήηξηαο ιεηηνπξγεί ζαλ έλα ελεξγφ ρακεινπεξαηφ θίιηξν γηα δηαηαξαρέο ηεο ελέξγεηαο. Οη αλεκνγελλήηξηεο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο κπνξνχλ λα ιεηηνπξγνχλ βέβαηα θαη κε έιεγρν απψιεηαο ζηήξημεο, αιιά ηφηε ράλεηαη ην πιενλέθηεκα πνπ αλαθέξζεθε θαη λσξίηεξα ηεο άζθεζεο κηθξφηεξσλ δπλάκεσλ ζηελ αλεκνγελλήηξηα. Σν γεγνλφο απηφ έρεη νδεγήζεη ψζηε ν έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο λα είλαη ζρεδφλ απνθιεηζηηθά ν κεραληθφο έιεγρνο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζηηο αλεκνγελλήηξηεο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο. 81

87 4.5 Ηιεθηξνληθά εθαξκνδόκελνο έιεγρνο ηζρύνο ζηηο αλεκνγελλήηξηεο Οη αλεκνγελλήηξηεο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο απαηηνχλ έλα ζχζηεκα ειεθηξνληθψλ ηζρχνο ην νπνίν είλαη ηθαλφ λα πξνζαξκφδεη ηελ ηζρχ ηεο γελλήηξηαο θαη λα βειηηψλεη ηελ πνηφηεηα ηεο εγρπφκελεο ελέξγεηαο ζην δίθηπν. Πξηλ παξνπζηαζηνχλ νη δηαηάμεηο ειεθηξνληθψλ ηζρχνο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζήκεξα, είλαη ζθφπηκν λα αλαιπζεί γηαηί είλαη απαξαίηεηε ε ρξήζε ησλ ειεθηξνληθψλ ηζρχνο ζηηο αλεκνγελλήηξηεο. Σα ειεθηξνληθά ηζρχνο έρνπλ δχν κεγάια πιενλεθηήκαηα γηα ηελ ρξήζε ηνπο ζηηο αλεκνγελλήηξηεο: Πξψηνλ, θάλνπλ δπλαηφ ηνλ αθξηβή θαη ζπλερή έιεγρν ηεο ηαρχηεηαο πεξηζηξνθήο, γεγνλφο πνπ έρεη ζαλ απνηέιεζκα ηα εμήο: Βέιηηζηε ελεξγεηαθά ιεηηνπξγία κε ξχζκηζε ηεο πξαγκαηηθήο ηζρχνο. Μεησκέλα θνξηία ζην θηβψηην ηαρπηήησλ, θαζψο νη κεηαβνιέο ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αέξα απνξξνθψληαη κέζσ αιιαγψλ ζηε ηαρχηεηα ηνπ δξνκέα. Έιεγρν ηνπ ζπληειεζηή ηζρχνο κε ξχζκηζε ηεο αέξγνπ ηζρχνο. Σελ κε ρξεζηκνπνίεζε ζε νξηζκέλεο πεξηπηψζεηο (πνιππνιηθέο ειεθηξηθέο κεραλέο) ηνπ θηβσηίνπ ηαρπηήησλ, κηαο θαη ν κεηαηξνπέαο ιεηηνπξγεί ζαλ έλα ειεθηξηθφ θηβψηην ηαρπηήησλ. Υακειά επίπεδα ζνξχβνπ ζηηο ρακειέο ηαρχηεηεο. Σν δεχηεξν κεγάιν πιενλέθηεκα είλαη φηη ηα ειεθηξνληθά ηζρχνο παξέρνπλ ηε δπλαηφηεηα ζηα αηνιηθά ζπζηήκαηα θαη πάξθα λα απνηειέζνπλ ελεξγφ ζηνηρείν ηνπ ζπζηήκαηνο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Απφ ηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ, απηφ ην ραξαθηεξηζηηθφ έρεη αξθεηά πιενλεθηήκαηα πνπ, εθηφο απφ ην φηη ε ελεξγφο θαη άεξγνο ηζρχο ηνπ αηνιηθνχ πάξθνπ είλαη ειέγμηκε θαη ν κεηαηξνπέαο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί ζαλ ηνπηθή πεγή αέξγνπ ηζρχνο, επηπιένλ [5]: Σν αηνιηθφ πάξθν κπνξεί λα έρεη ζεηηθή ζπλεηζθνξά ζηελ επζηάζεηα ηνπ δηθηχνπ, (επζηάζεηα ηάζεο ή/θαη ζπρλφηεηαο). Οη κεηαηξνπείο βειηηψλνπλ ηελ πνηφηεηα ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο ηνπ αηνιηθνχ πάξθνπ, κηαο θαη ιεηηνπξγνχλ ζαλ θίιηξα γηα ηηο ρακειέο αξκνληθέο. Σα κεηνλεθηήκαηα απφ ηελ ρξήζε ησλ ειεθηξνληθψλ ηζρχνο είλαη νη απψιεηεο ελέξγεηαο ζ απηά θαη ην απμεκέλν θφζηνο γηα ηνλ επηπιένλ εμνπιηζκφ, θφζηνο ην νπνίν βαίλεη δηαξθψο κεηνχκελν. Έλα άιιν κεηνλέθηεκα πνπ ππάξρεη γηα ην δίθηπν απφ ηελ ρξήζε ησλ ειεθηξνληθψλ ηζρχνο είλαη φηη παξάγνπλ πςειέο αξκνληθέο ηνπ ξεχκαηνο ζην δίθηπν. Σα ειεθηξνληθά ηζρχνο πεξηιακβάλνπλ ζπζθεπέο φπσο νη ειεθηξνληθά ειεγρφκελνη εθθηλεηέο (θαη νη ζπζηνηρίεο ππθλσηψλ), αλνξζσηέο, αληηζηξνθείο θαη κεηαηξνπείο 82

88 ζπρλφηεηαο. Σα βαζηθά ζηνηρεία ησλ κεηαηξνπέσλ είλαη δίνδνη (κε ειεγρφκελεο βαιβίδεο) θαη ειεθηξνληθνί δηαθφπηεο (ειεγρφκελεο βαιβίδεο), φπσο ηα ζπκβαηηθά ζπξίζηνξ ή θαη ηξαλδίζηνξ. Οη δίνδνη επηηξέπνπλ ηε δηέιεπζε ηνπ ξεχκαηνο κφλν πξνο κηα θαηεχζπλζε θαη κπινθάξνπλ ηε ξνή ξεχκαηνο πξνο ηελ αληίζεηε θαηεχζπλζε. Οη ειεθηξνληθνί δηαθφπηεο επηηξέπνπλ ηελ επηινγή ηεο αθξηβνχο ζηηγκήο πνπ είλαη επηζπκεηφ ε δίνδνο λα επηηξέςεη ηε δηέιεπζε ηνπ ξεχκαηνο. Έλα ζπκβαηηθφ ζπξίζηνξ κπνξεί λα δηεγεξζεί απφ ηελ πχιε ηνπ θαη λα έξζεη ζε αγσγή ελψ ζα κπινθάξεη κφλν φηαλ ην ξεχκα πεξάζεη απφ ην κεδέλ πξνο αξλεηηθέο ηηκέο. Αληίζεηα ηα ειεγρφκελα ηξαλδίζηνξ κπνξνχλ λα έξζνπλ ζε αγσγή ή δηαθνπή φπνηα ζηηγκή είλαη επηζπκεηφ. Σα ζπκβαηηθά ζπξίζηνξ κπνξνχλ λα ειέγμνπλ ηελ ελεξγφ ηζρχ ελψ ηα ειεγρφκελα ηξαλδίζηνξ κπνξνχλ λα ειέγμνπλ θαη ηελ ελεξγφ θαη ηελ άεξγν ηζρχ. Σα ζπζηήκαηα αλεκνγελλεηξηψλ κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηήζνπλ πνιινχο δηαθνξεηηθνχο ηχπνπο κεηαηξνπέσλ. Γηα ηελ πεξίπησζε κεηαηξνπέσλ κε ζπξίζηνξο, απηνί κπνξεί θαη λα είλαη κε θπζηθή κεηάβαζε ή εμαλαγθαζκέλε κεηάβαζε (grid-commutated ή self-commutated) κεηαηξνπείο. Ο ζπλήζεο ηχπνο κεηαηξνπέα θπζηθήο κεηάβαζεο είλαη κηα θζελή θαη αμηφπηζηε ζπζθεπή, πνπ φκσο θαηαλαιψλεη ελεξγφ ηζρχ θαη παξάγεη αξκνληθέο ξεχκαηνο, νη νπνίεο είλαη δχζθνιν λα θηιηξαξηζηνχλ. Οη ηππηθνί κεηαηξνπείο εμαλαγθαζκέλεο κεηάβαζεο απνηεινχληαη είηε απφ GTO ζπξίζηνξ ή απφ ηξαλδίζηνξ. Οη κεηαηξνπείο απηνί είλαη ελδηαθέξνληεο επεηδή έρνπλ πςειή δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα. Οη αξκνληθέο κπνξνχλ λα θηιηξαξηζηνχλ πην εχθνια, νπφηε νη δηαηαξαρέο πνπ πξνθαινχλ ζην δίθηπν κπνξνχλ λα θξαηεζνχλ ζε ρακειφ επίπεδν. ήκεξα ν πην δηαδεδνκέλνο ηχπνο ηξαλδίζηνξ ηζρχνο είλαη ην IGBT. Ζ δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ησλ IGBT θπκαίλεηαη κεηαμχ ησλ 2 θαη 20 khz, ζε αληίζεζε κε ηα GTO ζπξίζηνξ, ησλ νπνίσλ ε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα δελ κπνξεί λα μεπεξάζεη ην 1 khz, γεγνλφο πνπ νινέλα ηα απνκαθξχλεη απφ ηηο ζχγρξνλεο επηινγέο. ήκεξα ν θπξίαξρνο ηχπνο κεηαηξνπέα πνπ ρξεζηκνπνηείηαη είλαη εμαλαγθαζκέλεο κεηάβαζεο κε IGBT. Οη κεηαηξνπείο απηνί είλαη είηε κεηαηξνπείο πεγήο ηάζεο (Voltage Source Converter - VSC) είηε κεηαηξνπείο πεγήο ξεχκαηνο (Current Source Converter - CSC). Καη νη δχν ηχπνη κπνξνχλ λα ειέγμνπλ θαη ηελ ζπρλφηεηα θαη ηελ ηάζε [6,7]. Οη VSC θαη CSC κεηαηξνπείο παξέρνπλ ζρεηηθά θαιέο θπκαηνκνξθέο γηα ηελ ηάζε θαη ην ξεχκα, αληίζηνηρα ζηα ζεκεία ζχλδεζεο κε ηε γελλήηξηα θαη ην δίθηπν. ηελ πεξίπησζε ησλ VSC, ε ηάζε ζηελ δηαζχλδεζε ζπλερνχο ξεχκαηνο δηαηεξείηαη ζηαζεξή απφ έλαλ κεγάιν ζρεηηθά ππθλσηή. ηελ πεξίπησζε ηνπ CSC, ζπκβαίλεη αθξηβψο ην αληίζεην. Σν ξεχκα ζηε δηαζχλδεζε ζπλερνχο ξεχκαηνο δηαηεξείηαη ζηαζεξφ απφ έλα κεγάιν πελίν. Δίλαη ζεκαληηθφ λα ηνληζηεί φηη ηα VSC θαη CSC έρνπλ ηειείσο δηαθνξεηηθή ινγηθή. Ωο πξνο ηελ παικνδφηεζε ηνπο ηψξα κπνξνχλ λα εθαξκνζηνχλ δηάθνξνη ηξφπνη, φπσο εμαπαικηθφ, Γηακνξθσηήο Πιάηνπο Παικψλ (PAM) ή Γηακνξθσηήο Δχξνπο Παικψλ (PWM). Υξεζηκνπνηψληαο ηελ PWM ηερληθή, νη αξκνληθέο ησλ ρακειψλ ζπρλνηήησλ εμαιείθνληαη θαη ε ζπρλφηεηα ησλ πξψησλ πςειήο ηάμεο αξκνληθψλ πεγαίλεη ζηε δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ηνπ αληηζηξνθέα ή ηνπ αλνξζσηή. ηα ζχγρξνλα ζπζηήκαηα αλεκνγελλεηξηψλ κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο ε θαζηεξσκέλε ηερλνινγία είλαη απηή ησλ VSC κεηαηξνπέσλ κε IGBT θαη PWM παικνδφηεζε. 83

89 4.6 Ηιεθηξνληθέο ζπζθεπέο ηζρύνο γηα αηνιηθά ζπζηήκαηα Ζ ηερλνινγία ησλ ειεθηξνληθψλ ηζρχνο είλαη ηαρέσο αλαπηπζζφκελε θαη εμειηζζφκελε. Σα ζηνηρεία ηνπο πιένλ κπνξνχλ λα δηαρεηξηζηνχλ πςειά ξεχκαηα θαη ηάζεηο. Οη απψιεηεο ελέξγεηαο ζ απηέο έρνπλ κεησζεί ζεκαληηθά θάλνληαο ηηο ζπζθεπέο πην αμηφπηζηεο ζηηο πςειέο ηζρείο. Δπηπιένλ ε ζρέζε ηεο ηηκήο ηνπο πξνο ηελ ηζρχ είλαη έλαο ιφγνο πνπ ζπλερψο κεηψλεηαη κε απνηέιεζκα ην φθεινο απφ ηε ρξήζε ησλ κεηαηξνπέσλ ηζρχνο λα είλαη ζαθψο κεγαιχηεξν απφ ην θφζηνο θαη γηα ηζρείο ηεο ηάμεο ησλ MW. ηε ζπλέρεηα, ζα παξαζέζνπκε θάπνηεο απφ ηηο ραξαθηεξηζηηθέο ζπζθεπέο ειεθηξνληθψλ ηζρχνο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζηα ζπζηήκαηα αλεκνγελλεηξηψλ Ηιεθηξνληθά ειεγρόκελνο εθθηλεηήο O ειεθηξνληθά ειεγρφκελνο εθθηλεηήο (soft starter) είλαη κηα απιή θαη θζελή ζπζθεπή ειεθηξνληθψλ ηζρχνο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζηηο αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο θαηά ηε δηαδηθαζία ηεο ζχλδεζεο ηνπο ζην δίθηπν. Ζ δνπιεηά ηνπο είλαη λα κεηψζνπλ ηα κεηαβαηηθά ξεχκαηα θαη θαη επέθηαζε λα κεηψζνπλ ηηο δηαηαξαρέο ζην δίθηπν. Υσξίο ηνλ ειεθηξνληθά ειεγρφκελν εθθηλεηή ηα κεηαβαηηθά ξεχκαηα κπνξεί λα είλαη σο θαη 7-8 θνξέο κεγαιχηεξα απφ ηηο νλνκαζηηθέο ηνπο ηηκέο κε απνηέιεζκα λα δεκηνπξγεζνχλ ζνβαξέο δηαηαξαρέο ηεο ηάζεο ζην δίθηπν. Ο ειεθηξνληθά ειεγρφκελνο εθθηλεηήο πεξηιακβάλεη απφ δχν ζπξίζηνξ ζε θάζε θάζε ζε αληηπαξάιιειε ζχλδεζε. Ζ νκαιή ζχλδεζε ηεο γελλήηξηαο ζην δίθηπν επηηπγράλεηαη πξνζαξκφδνληαο ηε γσλία έλαπζεο ησλ ζπξίζηνξ. Ζ ζρέζε κεηαμχ ηεο γσλίαο έλαπζεο θαη ηεο ελίζρπζεο πνπ ζα παξέρεη o ειεθηξνληθά ειεγρφκελνο εθθηλεηήο είλαη εμαηξεηηθά κε γξακκηθή θαη επηπξφζζεηα είλαη ζπλάξηεζε ηνπ ζπληειεζηή ηζρχνο ηνπ ζπλδεδεκέλνπ ζηνηρείνπ. Μεηά ην κεηαβαηηθφ ζηάδην, ηα ζπξίζηνξ παξαθάκπηνληαη πξνθεηκέλνπ λα κεησζνχλ νη απψιεηεο ηνπ ζπζηήκαηνο πζηνηρία ππθλσηώλ Οη ζπζηνηρίεο ππθλσηψλ ρξεζηκνπνηνχληαη ζε αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο ή πεξηνξηζκέλα κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο. Παξέρνπλ άεξγν ηζρχ ψζηε απηή, πνπ απνξξνθά ε γελλήηξηα απφ ην δίθηπν λα κεηψλεηαη. ηα αηνιηθά ζπζηήκαηα νη γελλήηξηεο κπνξεί λα δηαζέηνπλ αληηζηάζκηζε αέξγνπ ηζρχνο πνπ εθαξκφδεηαη κε δπλακηθφ ηξφπν, δειαδή έλαο αξηζκφο ππθλσηψλ λα ζπλδέεηαη θαη λα απνζπλδέεηαη κέζσ ειεθηξνληθψλ δηαθνπηψλ, αλάινγα κε ηε κέζε δήηεζε πνπ ππάξρεη ζε άεξγν ηζρχ ζε κηα πξνθαζνξηζκέλε ρξνληθή πεξίνδν. εκαληηθφ είλαη βέβαηα λα ηνληζηεί φηη ππάξρεη θίλδπλνο νη ππθλσηέο λα ππεξθνξηηζηνχλ θαη λα θαηαζηξαθνχλ απφ θάπνηεο ππεξηάζεηο ηνπ δηθηχνπ, κε απνηέιεζκα λα απμάλνπλ ην θφζηνο ζπληήξεζεο ηνπ ζπζηήκαηνο. Οη ζπζηνηρίεο ππθλσηψλ ζπλήζσο βξίζθνληαη ζηε βάζε ηνπ πχξγνπ. 84

90 4.6.3 Μεηαηξνπείο ηζρύνο ac/dc - Αλνξζσηέο θαη Αληηζηξνθείο Οη κεηαηξνπείο ηζρχνο ac/dc είλαη ζπζθεπέο θαη δηαηάμεηο κε ειεθηξνληθά ζηνηρεία ηζρχνο: δηφδνπο, ζπξίζηνξ ή ηξαλδίζηνξ ηζρχνο θαη δηαθξίλνληαη ζε αλνξζσηέο ή αληηζηξνθείο φηαλ κεηαηξέπνπλ ην ac ξεχκα ζε dc θαη αληίζηξνθα. Τπάξρνπλ δηάθνξνη ηξφπνη πνπ κπνξνχλ λα ζπλδπαζηνχλ έλα αληηζηξνθέαο κε έλαλ αλνξζσηή ζε έλαλ κεηαηξνπέα ζπρλφηεηαο. ήκεξα ππάξρνπλ δηάθνξεο ηερλνινγίεο κε ηεο νπνίεο γίλεηαη απηφ, φπσο δηπινί κεηαηξνπείο κε IGBT (back-to-back), πνιιψλ επηπέδσλ (multilevel), κήηξαο (matrix) θιπ. Γίνδνη κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ κφλν γηα αλφξζσζε, ελψ ειεθηξνληθνί δηαθφπηεο ζπξίζηνξ ή ηξαλδίζηνξ κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ θαη γηα αλφξζσζε θαη γηα αληηζηξνθή. Ζ πην ηππηθή ιχζε γηα ηνλ αλνξζσηή είλαη ε αλφξζσζε κε δηφδνπο, εμαηηίαο ηεο απιφηεηαο ηνπ, ην ρακειφ θφζηνο θαη ηεο κηθξέο απψιεηεο. Γελ είλαη γξακκηθνί κε απνηέιεζκα λα παξάγνληαη αξκνληθέο ξεχκαηνο. Έλα αθφκα πξφβιεκα είλαη φηη επηηξέπνπλ ξνή ηζρχνο κφλν πξνο κηα θαηεχζπλζε ελψ επίζεο δελ κπνξνχλ λα ειέγμνπλ ην ξεχκα θαη ηελ ηάζε. Γηα απηφ ην ιφγν κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζνχλ κφλν καδί κε κηα γελλήηξηα πνπ κπνξεί λα ειέγμεη ηελ ηάζε θαη έλαλ αληηζηξνθέα πνπ ζα ειέγρεη ην ξεχκα. Ο αληηζηξνθέαο κε ζπξίζηνξ είλαη κηα θζελή ιχζε, κε ρακειέο απψιεηεο θαη πξέπεη λα είλαη ζπλδεδεκέλνο ζε ηζρπξή ac πεγή πξνθεηκέλνπ λα κπνξέζεη λα ιεηηνπξγήζεη. Μεγάιν κεηνλέθηεκα είλαη φηη θαηαλαιψλεη άεξγν ηζρχ θαη παξάγεη αξκνληθέο. Ζ ζπλερψο απμαλφκελε απαίηεζε γηα πνηνηηθή ελέξγεηα θάλνπλ ηνπο αληηζηξνθείο κε ζπξίζηνξ φιν θαη ιηγφηεξν ειθπζηηθνχο ζε ζρέζε κε ηνπο αληηζηξνθείο πνπ έρνπλ σο ζηνηρεία GTO θαη IGBT. Πξηλ ιίγα ρξφληα, ην πιενλέθηεκα ησλ GTO ζε ζρέζε κε ηα IGBT ήηαλ φηη κπνξνχζαλ λα ρεηξηζηνχλ κεγαιχηεξα πνζά ελέξγεηαο, γεγνλφο πνπ ήδε έρεη μεπεξαζηεί εμαηηίαο ηεο πνιχ γξήγνξεο αλάπηπμεο ζηελ ηερλνινγία ησλ IGBT. Έηζη παξακέλεη ηo κεηνλέθηεκα ησλ GTO πνπ είλαη φηη ην θχθισκα ειέγρνπ ηνπο είλαη πνιχ πην πνιχπινθν. Ζ γελλήηξηα θαη ν αλνξζσηήο ζα πξέπεη λα επηιεγνχλ ην έλα ζε ζπλδπαζκφ κε ην άιιν, ζε αληίζεζε κε ηνλ αληηζηξνθέα πνπ κπνξεί λα επηιεγεί ζρεδφλ αλεμάξηεηα. Έλαο αλνξζσηήο κε δηφδνπο ή ζπξίζηνξ κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί καδί κφλν κε κηα ζχγρξνλε γελλήηξηα, κηαο θαη δελ απαηηεί άεξγν ξεχκα καγλήηηζεο. ε αληίζεζε κε ηνπο πξναλαθεξζέληεο, νη αλνξζσηέο κε GTO θαη πιένλ ζρεδφλ απνθιεηζηηθά κε IGBT πξέπεη λα ζπλδπαζηνχλ κε επαγσγηθέο γελλήηξηεο, κηαο θαη έρνπλ ηε δπλαηφηεηα λα ειέγμνπλ ηελ άεξγν ηζρχ Μεηαηξνπείο ζπρλόηεηαο Έλαο παξαδνζηαθφο κεηαηξνπέαο ζπρλφηεηαο απνηειείηαη απφ έλαλ αλνξζσηή, ν νπνίνο κεηαηξέπεη ην ελαιιαζζφκελν ξεχκα ζε ζπλερέο, έλα ππθλσηή θαη έλα αληηζηξνθέα πνπ κεηαηξέπεη ην ζπλερέο ξεχκα ζε ελαιιαζζφκελν, ελψ δηεπθνιχλεη θαη ηελ ξνή ελέξγεηαο ζηελ ac πιεπξά 85

91 Απφ ηηο δηάθνξεο ηνπνινγίεο πνπ ππάξρνπλ ζήκεξα, γηα ηνπο κεηαηξνπείο ζπρλφηεηαο, έρεη απνδεηρζεί πσο νη δηπινί κεηαηξνπείο ηζρχνο ac/dc/ac κε IGBT ζηνηρεία (back-to-back) έρνπλ ηελ θαιχηεξε εθαξκνγή ζηηο αλεκνγελλήηξηεο. Ο backto-back κεηαηξνπέαο είλαη ακθίδξνκνο ζε ζρέζε κε ηελ ελέξγεηα θαη απνηειείηαη απφ δχν ζπκβαηηθνχο κεηαηξνπείο πεγήο ηάζεο (VSC) κε IGBT θαη PWM δηακφξθσζε ζηελ παικνδφηεζε, πνπ ζπλδένληαη κεηαμχ ηνπο κέζσ κηαο dc δηαζχλδεζεο πνπ νπζηαζηηθά απνηειεί έλαο κεγάινο ππθλσηήο. Ο κεηαηξνπέαο απηφο θαίλεηαη ζην ζρήκα 4.3. Ο κεηαηξνπέαο απηφο, αλ θαη εκθαλίδεη κεγαιχηεξεο απψιεηεο ζηα δηαθνπηηθά ζηνηρεία ιφγσ ηεο κεγαιχηεξεο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο, απμάλεη ζεκαληηθά ηελ ηάμε ησλ αξκνληθψλ ηεο ηάζεο εμφδνπ ηνπ κε απνηέιεζκα λα κεηψλεηαη ε επίδξαζε ηνπο. ρήκα 4.3 Γηπιφο ac/dc/ac κεηαηξνπέαο ηζρχνο (back-to-back) Ζ αξρή ιεηηνπξγίαο ηνπ PWM δηακνξθσηή ζηεξίδεηαη ζηε ζχγθξηζε ελφο ηξηγσληθνχ θέξνληνο ζήκαηνο πςειήο ζπρλφηεηαο V c (ζπλήζσο 5 έσο 10 khz) κε έλα εκηηνλνεηδέο ζήκα αλαθνξάο V r ζπρλφηεηαο ίζεο κε ηε ζπρλφηεηα ηάζεο ηελ νπνία ζέινπκε ζηελ έμνδν. Όηαλ ε ζηηγκηαία ηηκή ηνπ V r είλαη κεγαιχηεξε ηνπ V c, ε έμνδνο ηνπ ζπγθξηηή είλαη ζεηηθφο παικφο ελψ ζηελ αληίζεηε πεξίπησζε είλαη αξλεηηθφο παικφο. Μέζσ ηνπ εκηηνλνεηδνχο ζήκαηνο αλαθνξάο ειέγρεηαη ην πιάηνο θαη ε ζπρλφηεηα ηνπ ζήκαηνο εμφδνπ ηνπ δηακνξθσηή. Απμνκεηψλνληαο ην πιάηνο ηνπ ζήκαηνο V r, ξπζκίδεηαη ε δηάξθεηα ησλ παικψλ εμφδνπ ηνπ δηακνξθσηή θαη έηζη ειέγρεηαη ην πιάηνο ηεο ζεκειηψδνπο αξκνληθήο ηεο ηάζεο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα, ελψ κεηαβάιινληαο ηε ζπρλφηεηα ηνπ V r ξπζκίδεηαη ε ζπρλφηεηα ηεο ηάζεο εμφδνπ ηνπ αληηζηξνθέα. Ο πξνεγνχκελνο κεηαηξνπέαο κπνξεί λα δνπιέςεη θαη κε ηελ ηερληθή ηνπ ειέγρνπ ξεχκαηνο ζε βξφρν πζηέξεζεο. απηφλ εθαξκφδεηαη PWM δηακφξθσζε ηάζεο αιιά ειέγρεηαη ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο, ψζηε ε έμνδνο λα είλαη έλα εκηηνλνεηδέο ξεχκα επηζπκεηνχ πιάηνπο θαη ζπρλφηεηαο. Έηζη ν αληηζηξνθέαο ζπκπεξηθέξεηαη σο πεγή ξεχκαηνο, παξφιν πνπ ε ηνπνινγία ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο είλαη ίδηα κε ηνπ αληηζηξνθέα πεγήο ηάζεο. Ζ αξρή ιεηηνπξγίαο ηεο ηερληθήο δηακφξθσζεο PWM κε έιεγρν ξεχκαηνο ζε βξφρν πζηέξεζεο είλαη ε εμήο: Σν ζηηγκηαίν ξεχκα αλάδξαζεο θάζε θάζεο ζπγθξίλεηαη κε ην αληίζηνηρν εκηηνλνεηδέο ζήκα αλαθνξάο, ψζηε ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ λα βξίζθεηαη πάληνηε κέζα ζην εχξνο πζηέξεζεο πνπ νξίδεηαη απφ ην αλψηεξν θαη θαηψηεξν φξην ζθάικαηνο. Δπεηδή ειέγρεηαη ε ζηηγκηαία ηηκή ηνπ ξεχκαηνο, ε ηερληθή PWM ειέγρνπ ξεχκαηνο ζε βξφρν πζηέξεζεο ρξεζηκνπνηείηαη ζε ζπζηήκαηα νδήγεζεο βαζηζκέλα ζε ινγηθέο δηαλπζκαηηθνχ ειέγρνπ. 86

92 εκαληηθφ είλαη λα αλαθέξνπκε ηελ βαζηθή ζρέζε πνπ ζπλδέεη ηελ ac κε ηελ dc ηάζε ζηηο δχν πιεπξέο ηνπ κεηαηξνπέα ζε ζρέζε πξνο ην m, ην ιφγν ηνπ ζήκαηνο αλαθνξάο πξνο ην πιάηνο ηνπ θέξνληνο ζήκαηνο [6] ^ V m V dc s 2 φπνπ V ^ s ην πιάηνο ηεο εκηηνλνεηδνχο εμφδνπ θαη Vdc ε dc ηάζε εμφδνπ. Ζ ηάζε ηεο dc δηαζχλδεζεο νξίδεηαη ζε έλα επίπεδν πςειφηεξν απφ ην πιάηνο ηεο θαζηθήο ηάζεο ηνπ δηθηχνπ πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί πιήξεο έιεγρνο ηνπ ξεχκαηνο ηνπ δηθηχνπ. Ο ππθλσηήο κεηαμχ ηνπ αληηζηξνθέα θαη ηνπ αλνξζσηή θάλεη εθηθηή ηελ πιήξε απφζπδεπμε ηνπ ειέγρνπ ησλ δχν κεηαηξνπέσλ, επηηξέπνληαο ηελ αλεμάξηεηε ξχζκηζε ζηε πιεπξά ηεο γελλήηξηαο θαη ζηε πιεπξά ηνπ δηθηχνπ. Ζ ξνή ηζρχνο ζην κεηαηξνπέα ζηε πιεπξά ηνπ δηθηχνπ ειέγρεηαη πξνθεηκέλνπ λα δηαηεξεί ζηαζεξή ηε ηάζε ζηνλ ππθλσηή θαη λα δηνξζψλεη ην ζπληειεζηή ηζρχνο, ελψ ζηε πιεπξά ηεο γελλήηξηαο ν έιεγρνο εθαξκφδεηαη κε ηξφπν πνπ λα εμππεξεηεί ηεο αλάγθεο καγλήηηζεο θαη λα νδεγεί θάζε θνξά ζηελ επηζπκεηή ηαρχηεηα. Αξθεηέο κειέηεο [4] έρνπλ δείμεη φηη ε παξνπζία ηνπ ππθλσηή ζηελ dc δηαζχλδεζε, ζηνλ back-to-back κεηαηξνπέα κεηψλεη ηε δηάξθεηα θαη ηελ απφδνζε ηνπ ζπζηήκαηνο ζε ζρέζε κε ηνπο κεηαηξνπείο πνπ δελ έρνπλ ππθλσηή, φπσο ν κεηαηξνπέαο ηχπνπ κήηξαο (matrix). Ωζηφζν, ε πξνζηαζία ηνπ κεηαηξνπέα ηχπνπ κήηξαο ζε πεξίπησζε ζθάικαηνο δελ είλαη εμίζνπ θαιή φπσο απηή ηνπ back-to-back κεηαηξνπέα. Έλα αθφκα κεηνλέθηεκα ηνπ κεηαηξνπέα ηχπνπ κήηξαο έλαληη ηνπ back-to-back κεηαηξνπέα είλαη νη πεξηνξηζκνί ζηελ εμεξρφκελε ηάζε. Σν κεηνλέθηεκα ηνπ back-toback κεηαηξνπέα ζε ζρέζε κε ην κεηαηξνπέα ηχπνπ κήηξαο είλαη νη πςειέο δηαθνπηηθέο απψιεηεο. 4.7 Γελλήηξηεο Απηή ηε ζηηγκή νη πεξηζζφηεξνη θαη κεγαιχηεξνη παξαγσγνί αλεκνγελλεηξηψλ ζην θφζκν θαηαζθεπάδνπλ κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο αλεκνγελλήηξηεο κε έιεγρν γσλίαο βήκαηνο πηεξπγίσλ. Ο πην ζπρλά ρξεζηκνπνηνχκελνο ηχπνο γελλήηξηαο είλαη νη επαγσγηθέο γελλήηξηεο, ελψ ζε πνιχ κηθξφ πνζνζηφ πνπ φκσο ηειεπηαία παξνπζηάδεη θάπνηεο ηάζεηο αχμεζεο ρξεζηκνπνηνχληαη ζχγρξνλεο γελλήηξηεο κε κφληκν καγλήηε. ήκεξα, ζηε δηεζλή αγνξά ησλ αλεκνγελλεηξηψλ θπξίαξρνο ηχπνο αλεκνγελλήηξηαο (ζε πνζνζηφ κεγαιχηεξν ηνπ 70%) είλαη απηφο κε επαγσγηθή κεραλή δηπιήο ηξνθνδνζίαο (DFIG), κε κεηαβιεηή ηαρχηεηα θαη κεηαβιεηφ έιεγρν γσλίαο θιίζεο ησλ πηεξπγίσλ. Γεληθά γηα ηζρείο ηεο ηάμεο ησλ MW, κηα αλεκνγελλήηξηα κπνξεί λα εμνπιηζηεί κε νπνηαδήπνηε ηξηθαζηθή γελλήηξηα. Όινη νη γεληθνί ηχπνη γελλεηξηψλ κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ ζε αλεκνγελλήηξηεο [2], δειαδή: 87

93 Αζχγρξνλεο (επαγσγηθέο) γελλήηξηεο o Δπαγσγηθέο γελλήηξηεο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ (SCIG) o Δπαγσγηθέο γελλήηξηεο δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα (WRIG) χγρξνλεο γελλήηξηεο o χγρξνλεο γελλήηξηεο κφληκνπ καγλήηε (PMSG) o χγρξνλεο γελλήηξηεο δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα (WRSG) 4.8 Η Αζύγρξνλε (επαγσγηθή) γελλήηξηα θαη νη ζπλδεζκνινγίεο ηεο Ο ηχπνο ηεο γελλήηξηαο πνπ θπξίσο ρξεζηκνπνηείηαη ζε αλεκνγελλήηξηεο είλαη ε επαγσγηθή γελλήηξηα. Σα πιενλεθηήκαηα πνπ πξνζθέξνπλ απηέο νη γελλήηξηεο είλαη αξθεηά, φπσο επξσζηία, απιφηεηα ζην κεραληθφ θνκκάηη θαη ρακειφ θφζηνο, πνπ νθείιεηαη ζην κεγάιν αξηζκφ παξαγσγήο ηνπο. Σν κεγάιν ηνπο κεηνλέθηεκα είλαη φηη θαηαλαιψλνπλ άεξγν ηζρχ. Ζ άεξγνο ηζρχο κπνξεί λα παξέρεηαη απφ ην δίθηπν ή απφ ζπζηνηρίεο ππθλσηψλ ή απφ έλα θαηάιιειν ζχζηεκα ειεθηξνληθψλ ηζρχνο. Ζ αζχγρξνλε κεραλή ζαλ γελλήηξηα δηαθξίλεηαη ζε βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ θαη δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα. ηελ επαγσγηθή γελλήηξηα βξαρπθπθισκέλν θισβνχ ην καγλεηηθφ πεδίν ηνπ δξνκέα δεκηνπξγείηαη εμ επαγσγήο κφλν φηαλ ν ζηάηεο είλαη ζπλδεδεκέλνο κε ην δίθηπν. ηελ επαγσγηθή γελλήηξηα δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα, ζε πεξίπησζε ac δηέγεξζεο, ην δεκηνπξγνχκελν καγλεηηθφ πεδίν πεξηζηξέθεηαη ζε κηα ηαρχηεηα ε νπνία θαζνξίδεηαη απφ ηνλ αξηζκφ ησλ πφισλ θαη ηε ζπρλφηεηα ηνπ ξεχκαηνο, δειαδή ηε ζχγρξνλε ηαρχηεηα. Ο δξνκέαο κπνξεί λα πεξηζηξέθεηαη κε ηαρχηεηα κεγαιχηεξε ή κηθξφηεξε ηεο ζχγρξνλεο ηαρχηεηαο. Σφηε έλα ειεθηξηθφ πεδίν επάγεηαη κεηαμχ ηνπ δξνκέα θαη ηνπ ζηξεθφκελνπ πεδίνπ ηνπ ζηάηε απφ ηε ζρεηηθή θίλεζε (νιίζζεζε), γεγνλφο πνπ πξνθαιεί έλα ξεχκα ζηα ηπιίγκαηα ηνπ δξνκέα. Ζ αιιειεπίδξαζε κεηαμχ ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ ηνπ δξνκέα κε ην πεδίν ηνπ ζηάηε έρνπλ ζαλ απνηέιεζκα ηελ δεκηνπξγία ξνπήο ζηνλ δξνκέα Η επαγσγηθή γελλήηξηα δαθηπιηνθόξνπ δξνκέα ζε εθαξκνγέο κεηαβιεηήο ηαρύηεηαο ηελ πεξίπησζε ησλ επαγσγηθψλ γελλεηξηψλ δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα, ηα ειεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά ηνπ δξνκέα κπνξνχλ λα ειεγρζνχλ εμσηεξηθά, απφ ηελ ηάζε ηνπ δξνκέα. Σα ηπιίγκαηα ηνπ δξνκέα ζπλδένληαη εμσηεξηθά κέζσ δαθηπιίσλ νιίζζεζεο θαη ςεθηξψλ. Με ηε ρξήζε ειεθηξνληθψλ ηζρχνο, ε ηζρχο κπνξεί λα εμαρζεί ή θαη λα εηζαρζεί ζην θχθισκα ηνπ δξνκέα θαη ε γελλήηξηα κπνξεί λα καγλεηηζηεί είηε απφ ην θχθισκα ηνπ ζηάηε είηε απφ ην θχθισκα ηνπ δξνκέα. Σν κεηνλέθηεκα ηεο επαγσγηθήο γελλήηξηαο δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα είλαη ην ζρεηηθά πςειφηεξν θφζηνο ζε ζρέζε πξνο ηελ αληίζηνηρε βξαρπθπθισκέλνπ δξνκέα. Ζ βηνκεραλία ησλ αλεκνγελλεηξηψλ ζπλήζσο ρξεζηκνπνηεί ηνπο εμήο δχν ηχπνπο επαγσγηθψλ γελλεηξηψλ δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα, ηελ επαγσγηθή γελλήηξηα κε ειεθηξνληθά κεηαβαιιφκελε αληίζηαζε δξνκέα (OSIG) θαη ηελ επαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο (DFIG). 88

94 Δπαγσγηθή γελλήηξηα κε ειεθηξνληθά κεηαβαιιόκελε αληίζηαζε δξνκέα Ζ επαγσγηθή γελλήηξηα κε ειεθηξνληθά κεηαβαιιφκελε αληίζηαζε δξνκέα πηνζεηήζεθε ζα ιχζε πξνθεηκέλνπ λα κεησζεί ην θνξηίν ζηελ αλεκνγελλήηξηα εμαηηίαο ησλ ξηπψλ αλέκνπ. Ζ δηάηαμε πνπ ρξεζηκνπνηεί επηηξέπεη ζηε γελλήηξηα λα έρεη κεηαβαιιφκελε (ζεηηθή) νιίζζεζε θαη λα επηιέγεη ηε βέιηηζηε ηηκή γηα απηή, έρνληαο ζαλ απνηέιεζκα κηθξφηεξεο δηαηαξαρέο ζηε ξνπή θαη ζηελ εμαγφκελε ελέξγεηα. Ζ κεηαβιεηή νιίζζεζε είλαη πνιχ απιή, αμηφπηζηε θαη πνιχ απνηειεζκαηηθή ζηε κείσζε ησλ θνξηίσλ ζε ζρέζε κε άιιεο πην πνιχπινθεο ιχζεηο. Ζ επαγσγηθή γελλήηξηα κε ειεθηξνληθά κεηαβαιιφκελε αληίζηαζε δξνκέα είλαη κηα επαγσγηθή γελλήηξηα δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα κε κηα κεηαβιεηή εμσηεξηθή αληίζηαζε ζην δξνκέα, πξνζαξκνζκέλε ζηα ηπιίγκαηα ηνπ. Ζ νιίζζεζε ηεο γελλήηξηαο αιιάδεη κε κεηαβνιή ηεο ζπλνιηθήο αληίζηαζεο ηνπ δξνκέα κέζσ κεηαηξνπέα πνπ είλαη ηνπνζεηεκέλνο ζηνλ άμνλα ηνπ δξνκέα. Ο κεηαηξνπέαο ειέγρεηαη νπηηθά, γεγνλφο πνπ ζεκαίλεη φηη δαθηχιηνη νιίζζεζεο δελ είλαη απαξαίηεηνη. Ο ζηάηεο ηεο γελλήηξηαο είλαη ζπλδεδεκέλνο απεπζείαο ζην δίθηπν. Σν πιενλέθηεκα απηνχ ηνπ ηχπνπ γελλήηξηαο είλαη φηη κε κηα ζρεηηθά απιή ηνπνινγία ηνπ θπθιψκαηνο ηνπ δξνκέα ρσξίο απαξαίηεηα λα ππάξρνπλ δαθηχιηνη νιίζζεζεο παξέρεηαη κεγαιχηεξν εχξνο ηαρχηεηαο απφ ηελ επαγσγηθή γελλήηξηα βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ. Δπηπιένλ, κέρξη ελφο ζεκείνπ ε ζπγθεθξηκέλε δηάηαμε κπνξεί λα κεηψζεη ηα κεραληθά θνξηία θαη ηηο δηαηαξαρέο ζηελ ελέξγεηα πνπ νθείινληαη ζηηο ξηπέο ηνπ αλέκνπ. Παξφια απηά απαξαίηεην είλαη έλα ζχζηεκα αληηζηάζκηζεο ηεο αέξγνπ ηζρχνο. Σα κεηνλεθηήκαηα είλαη φηη ην εχξνο κεηαβνιήο ηεο ηαρχηεηαο θπκαίλεηαη κφλν κεηαμχ 0-10% κηαο θαη εμαξηάηαη απφ ην κέγεζνο ηεο κεηαβιεηήο αληίζηαζεο ηνπ δξνκέα. Δπηπιένλ, δελ κπνξεί λα γίλεη πνιχ αμηφινγνο έιεγρνο ηεο ελεξγνχ θαη αέξγνπ ηζρχνο θαη ε ελέξγεηα ηεο νιίζζεζεο θαηαλαιψλεηαη πάλσ ζηε κεηαβιεηή αληίζηαζε ηνπ δξνκέα ζαλ ζεξκφηεηα Δπαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο Ζ εθαξκνγή ηεο επαγσγηθήο γελλήηξηαο δηπιήο ηξνθνδνζίαο είλαη ε εμέιημε ηεο επαγσγηθήο γελλήηξηαο κε ειεθηξνληθά κεηαβαιιφκελε αληίζηαζε δξνκέα, κε ηελ έλλνηα φηη ε κεηαβιεηή αληίζηαζε ζην δξνκέα έρεη αληηθαηαζηαζεί απφ έλαλ back-toback IGBT κεηαηξνπέα πεγήο ηάζεο ζπλδεδεκέλν ζην δίθηπν. Tα ηπιίγκαηα ηνπ ζηάηε είλαη απεπζείαο ζπλδεδεκέλα ζην ηξηθαζηθφ δίθηπν. Οη επαγσγηθέο γελλήηξηεο δηπιήο ηξνθνδνζίαο θεξδίδνπλ ζπλερψο φιν θαη κεγαιχηεξν κεξίδην αγνξάο. Απηφ ην ζχζηεκα επηηξέπεη λα ππάξρεη ιεηηνπξγία κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο κε έλα αξθεηά κεγάιν εχξνο. Ο κεηαηξνπέαο αληηζηαζκίδεη ηε δηαθνξά κεηαμχ ηεο κεραληθήο θαη ειεθηξηθήο ζπρλφηεηαο, εγρχνληαο έλα ξεχκα κεηαβιεηήο ζπρλφηεηαο ζηνλ δξνκέα. ηελ κφληκε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο αιιά θαη ζε πεξίπησζε ζθάικαηνο ε ζπκπεξηθνξά ηεο γελλήηξηαο θαζνξίδεηαη απφ ηνλ κεηαηξνπέα θαη ηνπο ειεγθηέο ηνπ. 89

95 Όζνλ αθνξά ηνλ έιεγρν, ν κεηαηξνπέαο ζηε πιεπξά ηνπ δξνκέα ειέγρεη ηελ ελεξγφ θαη άεξγν ηζρχ ηεο κεραλήο κέζσ ειέγρνπ ηνπ ξεχκαηνο ηνπ δξνκέα, ελψ ν κεηαηξνπέαο ζηε πιεπξά ηνπ δηθηχνπ ειέγρεη ηε ηάζε ζηε dc δηαζχλδεζε θαη δηαζθαιίδεη ιεηηνπξγία κε κνλαδηαίν ζπληειεζηή ηζρχνο. Αλάινγα κε ηε ιεηηνπξγία, ε ηζρχο ηνπ δξνκέα κπνξεί λα κεηαθεξζεί θαη πξνο ηηο δχν θαηεπζχλζεηο. ε πεξίπησζε ππεξζχγρξνλεο ιεηηνπξγίαο (ζεηηθή νιίζζεζε) έρνπκε ξνή ηζρχνο απφ ην δξνκέα κέζσ ηνπ κεηαηξνπέα ζην δίθηπν, ελψ ζε πεξίπησζε ππνζχγρξνλεο ιεηηνπξγίαο (αξλεηηθή νιίζζεζε) ε ξνή ηζρχνο είλαη αληίζεηε. Καη ζηηο δχν απηέο πεξηπηψζεηο ν ζηάηεο παξέρεη ελέξγεηα ζην δίθηπν. Δδψ αμίδεη λα ζεκεηψζνπκε ην ζεκαληηθφ πιενλέθηεκα ηεο επαγσγηθήο γελλήηξηαο δηπιήο ηξνθνδνζίαο ζε ζρέζε κε ηελ επαγσγηθή γελλήηξηα κε ειεθηξνληθά κεηαβαιιφκελε αληίζηαζε δξνκέα: ηελ πεξίπησζε ηεο ππεξζχρξνλεο ιεηηνπξγίαο ε απμεκέλε ηζρχο ζην δξνκέα νδεγείηαη ζην δίθηπν αληί λα ράλεηαη ζε σκηθέο αληηζηάζεηο. Ζ επαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο δελ είλαη απαξαίηεην λα καγλεηίδεηαη απφ ην δίθηπν αιιά απηφ κπνξεί λα γίλεη θαη απφ ην θχθισκα ηνπ δξνκέα. Δπίζεο είλαη ηθαλή λα παξάγεη άεξγν ηζρχ ε νπνία κπνξεί λα κεηαθεξζεί ζην ζηάηε κέζσ ηνπ κεηαηξνπέα ζηε πιεπξά ηνπ δηθηχνπ. Ο κεηαηξνπέαο ζηε πιεπξά ηνπ δηθηχνπ δηνξζψλεη ζπλνιηθά ην ζπληειεζηή ηζρχνο θαη έηζη εκπιέθεηαη εκκέζσο ζηελ αληαιιαγή αέξγνπ ηζρχνο κεηαμχ ηνπ ζηάηε θαη ηνπ δηθηχνπ. ε πεξίπησζε πνπ ππάξρεη έλα αδχλακν δίθηπν, φπνπ ππάξρνπλ δηαηαξαρέο ζηε ηάζε, κπνξεί λα δεηεζεί απφ ηελ επαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο (DFIG) λα παξάγεη ε λα απνξξνθήζεη θάπνην πνζφ αέξγνπ ηζρχνο πξνο ε απφ ην δίθηπν, πξνθεηκέλνπ λα ππάξμεη έιεγρνο ηεο ηάζεο. Σν κέγεζνο ηνπ κεηαηξνπέα δελ ζρεηίδεηαη κε ηελ ζπλνιηθή ηζρχ ηεο γελλήηξηαο αιιά κε ην επηιεγκέλν εχξνο ξχζκηζεο ηεο ηαρχηεηαο. Έηζη φηη θεξδίδνπκε ζε θφζηνο ην ράλνπκε ζε δπλαηφηεηα εχξνπο ηεο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο. Δπηπιένλ κεηνλέθηεκα ηεο επαγσγηθήο γελλήηξηαο δηπιήο ηξνθνδνζίαο είλαη φηη νη δαθηχιηνη νιίζζεζεο είλαη απαξαίηεηνη Δπαγσγηθή γελλήηξηα βξαρπθπθισκέλνπ θισβνύ Δίλαη γλσζηφ φηη νη επαγσγηθέο γελλήηξηεο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ είλαη ε επηθξαηνχζα επηινγή ζε απιέο εθαξκνγέο εμαηηίαο ηεο κεραληθήο ηνπο απιφηεηαο, ηεο πςειήο ηνπο απφδνζεο θαη ηνπ ειάρηζηνπ θφζηνπο ζπληήξεζεο πνπ απαηηνχλ. Με ζχλδεζε απεπζείαο ζην δίθηπν ε ηαρχηεηα ηεο επαγσγηθήο γελλήηξηαο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ κεηαβάιιεηαη κφλν θαηά έλα κηθξφ πνζνζηφ, εμαηηίαο ηεο νιίζζεζεο ηεο γελλήηξηαο ε νπνία νθείιεηαη ζηηο αιιαγέο ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ. Γηα ην ιφγν απηφ νη γελλήηξηεο απηέο ρξεζηκνπνηήζεθαλ πνιχ γηα ζηαζεξήο ηαρχηεηαο αλεκνγελλήηξηεο. Ζ γελλήηξηα θαη ν άμνλαο ηεο αλεκνγελλήηξηαο ζπλδένληαη κέζσ ηνπ θηβσηίνπ ηαρπηήησλ, κηαο θαη ε βέιηηζηε πξνζδνθψκελε ηηκή ηεο ηαρχηεηαο ηνπ άμνλα είλαη δηαθνξεηηθή απφ απηή ηεο γελλήηξηαο. Οη αλεκνγελλήηξηεο πνπ έρνπλ επαγσγηθέο γελλήηξηεο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ ζπλήζσο έρνπλ θαη έλαλ κεραληζκφ ειεθηξνληθά ειεγρφκελνπ εθθηλεηή θαη αληηζηάζκηζε αέξγνπ ηζρχνο κε ππθλσηέο, κηαο θαη νη γελλήηξηεο απηνχ ηνπ ηχπνπ θαηαλαιψλνπλ άεξγε ηζρχ. Οη επαγσγηθέο γελλήηξηεο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ έρνπλ ζαλ ραξαθηεξηζηηθφ ηηο απφηνκεο αιιαγέο ζηε ξνπή κε απνηέιεζκα νη 90

96 δηαηαξαρέο ηνπ αλέκνπ λα πεξλνχλ απεπζείαο ζην δίθηπν. Απηέο νη δηαηαξαρέο είλαη ηδηαίηεξα ζεκαληηθέο θαηά ηε ζχλδεζε ηεο αλεκνγελλήηξηαο ζην δίθηπν, φπνπ ε έληαζε ηνπ κεηαβαηηθνχ ξεχκαηνο είλαη 7-8 θνξέο κεγαιχηεξε απφ ηελ νλνκαζηηθή. ε έλα αδχλακν δίθηπν, απηφ ην πςειφ κεηαβαηηθφ ξεχκα κπνξεί λα πξνθαιέζεη κεγάιεο δηαηαξαρέο ζηε ηάζε. Οπφηε ε ζχλδεζε ηεο ζχγρξνλεο γελλήηξηαο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ (SCIG) ζην δίθηπν ζα πξέπεη λα γίλεηαη ζηαδηαθά πξνθεηκέλνπ λα κεησζεί ην κεηαβαηηθφ ξεχκα. Καηά ηε δηάξθεηα ηεο κφληκεο ιεηηνπξγίαο θαη ηεο άκεζεο ζχλδεζεο κε έλα ζηηβαξφ ac δίθηπν, ε ζχγρξνλε γελλήηξηα βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ (SCIG) είλαη πνιχ εχξσζηε θαη επζηαζήο. Ζ νιίζζεζε πνηθίιεη θαη απμάλεηαη κε αχμεζε ηνπ θνξηίνπ. Σν κεγαιχηεξν πξφβιεκα είλαη φηη ιφγσ ηνπ ξεχκαηνο καγλήηηζεο πνπ παξέρεηαη απφ ην δίθηπν ζηα ηπιίγκαηα ηνπ ζηάηε, ν ζπληειεζηήο ηζρχνο ππφ πιήξεο θνξηίνπ είλαη ζρεηηθά κηθξφο. Γεγνλφο πνπ φπσο είλαη γλσζηφ δελ είλαη απνδεθηφ απφ ηηο εηαηξίεο ειεθηξηζκνχ θαη κπνξεί λα δηνξζσζεί κε ηε ζχλδεζε ππθλσηψλ παξάιιεια κε ηε γελλήηξηα. ηηο επαγσγηθέο γελλήηξηεο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ ππάξρεη κηα κνλαδηθή ζρέζε κεηαμχ ηεο αέξγνπ ηζρχνο, ελεξγνχ ηζρχνο, ηάζεο ζην ηεξκαηηθφ ζεκείν θαη ηαρχηεηαο ηνπ δξνκέα. Απηφ ζεκαίλεη φηη ζε πςειέο ηαρχηεηεο αλέκνπ, ε αλεκνγελλήηξηα κπνξεί λα παξάγεη κεγαιχηεξα πνζά ελεξγνχ ηζρχνο κφλν αλ απνξξνθήζεη πεξηζζφηεξν άεξγν ηζρχ. Γηα ηηο επαγσγηθέο γελλήηξηεο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ ε θαηαλάισζε αέξγνπ ηζρχνο είλαη κε ειέγμηκε γηαηί κεηαβάιιεηαη κε βάζε ηεο ζπλζήθεο ηνπ αέξα. Αλ δελ ππάξρνπλ ειεθηξηθά ζηνηρεία λα παξέρνπλ ηελ άεξγν ηζρχ, ηφηε απηή πξέπεη λα πξνέιζεη απεπζείαο απφ ην δίθηπν. Ζ άεξγνο ηζρχο πνπ παίξλεηαη απφ ην δίθηπν κπνξεί λα πξνθαιέζεη επηπξφζζεηεο απψιεηεο κεηαθνξάο θαη ζε θάπνηεο πεξηπηψζεηο κπνξεί λα θάλεη ην δίθηπν αζηαζέο. ε πεξίπησζε ζθάικαηνο, νη επαγσγηθέο γελλήηξηεο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ πνπ δελ έρνπλ θαλέλα ζχζηεκα γηα αληηζηάζκηζε ηεο αέξγνπ ηζρχνο κπνξεί λα νδεγήζνπλ ζε αζηάζεηα ηεο ηάζεο ζην δίθηπν. Όηαλ ππάξμεη έλα ζθάικα ή κηα πηψζε ηάζεο ν δξνκέαο ηεο αλεκνγελλήηξηαο κπνξεί λα επηηαρπλζεί ζηηγκηαία εμαηηίαο ηεο αληζνξξνπίαο κεηαμχ ηεο ειεθηξηθήο θαη ηεο κεραληθήο ξνπήο. Ζ ζπλεπαγφκελε αχμεζε ηεο νιίζζεζεο ηφηε ζα απαηηήζεη κηα κεγαιχηεξε πνζφηεηα αέξγνπ ηζρχνο απφ ην δίθηπν, ην νπνίν ζα νδεγεζεί ζε πεξεηαίξσ κείσζε ηεο ηάζεο, θ.ν.θ. ήκεξα φκσο, κε ηελ κεγάιε αλάπηπμε ησλ ειεθηξνληθψλ ηζρχνο νη επαγσγηθέο γελλήηξηεο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ ζαλ πιήξσο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο αλεκνγελλήηξηεο θαη λα δψζνπλ εμαηξεηηθά ιεηηνπξγηθά ραξαθηεξηζηηθά. πγθεθξηκέλα ην ζρήκα πνπ ρξεζηκνπνηείηαη πεξηιακβάλεη ηελ γελλήηξηα βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ ζε ζχλδεζε ζην δίθηπν κέζσ ελφο πιήξσο ειεγρφκελνπ back-to-back κεηαηξνπέα ηζρχνο κε IGBT. Έηζη είλαη δπλαηφο ν έιεγρνο ελεξγνχ θαη αέξγνπ ηζρχνο θαη ε πξνζαξκνγή ηνπο ζηηο ζπλζήθεο ηνπ αλέκνπ αιιά θαη ηηο απαηηήζεηο ηνπ δηθηχνπ. Καη απηφ ηνλ ηξφπν εμνκαιχλεηαη ε ιεηηνπξγία ηεο επαγσγηθήο γελλήηξηαο θαη απνθεχγνληαη αλεπηζχκεηεο δηαηαξαρέο, φπσο απηέο πνπ ζπλαληάκε ζηελ πεξίπησζε ιεηηνπξγίαο κε ζηαζεξή ηαρχηεηα, ελψ ηαπηφρξνλα ππφ νκαιέο ζπλζήθεο γίλεηαη δπλαηή ε πξνζαξκνγή ηεο ηαρχηεηαο πεξηζηξνθήο ψζηε λα έρνπκε ηε κέγηζηε παξαγσγή ηζρχνο ζε φιν ην ζρεδφλ ην εχξνο ηαρπηήησλ ηνπ αλέκνπ. 91

97 4.9 ύγρξνλε γελλήηξηα Ζ ζχγρξνλε γελλήηξηα είλαη πνιχ πην αθξηβή θαη κεραλνινγηθά πνιχ πην πνιχπινθε απφ κηα επαγσγηθή γελλήηξηα αλαιφγνπ κεγέζνπο. Παξφια απηά, έρεη έλα μεθάζαξν πιενλέθηεκα ζε ζρέζε κε ηελ επαγσγηθή γελλήηξηα, φηη ην ξεχκα καγλήηηζεο δελ δεκηνπξγείηαη απφ ην θχθισκα ηνπ ζηάηε. Σν καγλεηηθφ πεδίν ζηηο ζχγρξνλεο γελλήηξηεο κπνξεί λα δεκηνπξγεζεί κε ηε ρξήζε κφληκσλ καγλεηψλ ή ζπκβαηηθψλ ηπιηγκάησλ ζην δξνκέα. Αλ ε ζχγρξνλε γελλήηξηα έρεη έλα θαηάιιειν, κεγάιν αξηζκφ πφισλ κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί ρσξίο θηβψηην ηαρπηήησλ. αλ ζχγρξνλε κεραλή, είλαη πηζαλφηαηα ε πην θαηάιιειε γηα έιεγρν πιήξνπο ηζρχνο κηαο θαη ζπλδέεηαη ζην δίθηπν κέζσ ελφο ειεθηξνληθνχ κεηαηξνπέα ηζρχνο. Ο κεηαηξνπέαο έρεη δχν βαζηθνχο ζηφρνπο. Πξψηνλ δνπιεηά ηνπ είλαη θάλεη απφζβεζε ησλ δηαηαξαρψλ ηεο ηζρχνο πνπ νθείινληαη ζηηο ξηπέο ηνπ αλέκνπ θαη επίζεο ησλ κεηαβαηηθψλ θαηλνκέλσλ πνπ έξρνληαη απφ ην δίθηπν. Καη ν δεχηεξνο βαζηθφο ζηφρνο είλαη λα ειέγρεη ηε καγλήηηζε θαη λα απνθεχγεη πξνβιήκαηα παξακέλνληαο ζχγρξνλνο κε ηε ζπρλφηεηα ηνπ δηθηχνπ. Μηα ηέηνηα γελλήηξηα επηηξέπεη ηελ ιεηηνπξγία κε κεηαβιεηή ηαρχηεηα ζηελ αλεκνγελλήηξηα. Οη δχν θιαζζηθνί ηχπνη ζχγρξνλσλ γελλεηξηψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζηελ βηνκεραλία ησλ αλεκνγελλεηξηψλ είλαη ε ζχγρξνλε γελλήηξηα δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα (WRSG) θαη ε ζχγρξνλε γελλήηξηα κφληκνπ καγλήηε (PMSG) ύγρξνλε γελλήηξηα δαθηπιηνθόξνπ δξνκέα Ζ ζχγρξνλε γελλήηξηα δαθηπιηνθφξνπ δξνκέα είλαη ν βαζηθφηεξνο ηχπνο γελλήηξηαο ζηε βηνκεραλία παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Σα ηπιίγκαηα ηνπ ζηάηε κηα ηέηνηαο γελλήηξηαο είλαη ζπλδεδεκέλα απεπζείαο ζην δίθηπν θαη φπσο είλαη ινγηθφ ε ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο ξπζκίδεηαη απφ ηε ζπρλφηεηα ηνπ δηθηχνπ. Σα ηπιίγκαηα ηνπ δξνκέα δηεγείξνληαη απφ ζπλερέο ξεχκα κε ηε ρξήζε δαθηπιηδηψλ νιίζζεζεο θαη ςεθηξψλ ή κέζσ ελφο δηεγέξηε ρσξίο ςήθηξεο κε έλα ζηξεθφκελν αλνξζσηή. ε αληίζεζε κε ηηο επαγσγηθέο γελλήηξηεο, νη ζχγρξνλεο γελλήηξηεο δελ ρξεηάδνληαη πεξεηαίξσ κέηξα αληηζηάζκηζεο γηα ηελ άεξγν ηζρχ. Σα ηπιίγκαηα ηνπ δξνκέα, κέζα απφ ηα νπνία ξέεη ην ξεχκα, παξάγνπλ ην πεδίν δηέγεξζεο, ην νπνίν πεξηζηξέθεηαη κε ζχγρξνλε ηαρχηεηα. Ζ ηαρχηεηα ηεο ζχγρξνλεο γελλήηξηαο θαζνξίδεηαη απφ ηε ζπρλφηεηα ηνπ ζηξεθφκελνπ πεδίνπ θαη ηνπ αξηζκνχ ησλ πφισλ ύγρξνλε γελλήηξηα κόληκνπ καγλήηε Τπάξρνπλ πνιινί ππέξκαρνη ησλ ζχγρξνλσλ γελλεηξηψλ κφληκνπ καγλήηε γηα ηε ρξήζε ηνπο ζηηο αλεκνγελλήηξηεο ιφγσ ηνπ γεγνλφηνο φηη νη γελλήηξηεο απηνχ ηνπ ηχπνπ είλαη απηνδηεγεηξφκελεο θαη ιεηηνπξγνχλ κε πςειφ ζπληειεζηή ηζρχνο θαη πςειή απφδνζε. 92

98 ηηο κεραλέο κφληκνπ καγλήηε, ε απφδνζε είλαη πςειφηεξε απφ απηή ησλ επαγσγηθψλ, κηαο θαη ε δηέγεξζε παξέρεηαη ρσξίο λα ππάξρεη επηπιένλ παξνρή ελέξγεηαο. Ωζηφζν ζα πξέπεη λα ηνληζηεί φηη ηα πιηθά κε ηα νπνία θαηαζθεπάδνληαη νη κφληκνη καγλήηεο είλαη πνιχ αθξηβά θαη θαζφινπ εχθνια ζηελ επεμεξγαζία. Δπηπξφζζεηα ε ρξήζε δηέγεξζεο κε κφληκν καγλήηε απαηηεί ηε ρξήζε ελφο κεηαηξνπέα ηζρχνο πιήξνπο θιίκαθαο πξνθεηκέλνπ λα πξνζαξκφζεη ηε ηάζε θαη ηε ζπρλφηεηα ηεο γελλήηξηαο ζηε ηάζε θαη ζηε ζπρλφηεηα γξακκήο αληίζηνηρα. Σν γεγνλφο απηφ νδεγεί ζε έλα πξφζζεην θφζηνο. Σν πιενλέθηεκα είλαη φηη κπνξεί λα παξαρζεί ελέξγεηα ζε θάζε ηαρχηεηα. Ο ζηάηεο ησλ ζχγρξνλσλ γελλεηξηψλ κφληκνπ καγλήηε απνηειείηαη απφ ζπκβαηηθφ ηξηθαζηθφ ηχιηγκα θαη ν δξνκέαο απνηειείηαη απφ έλα ζχζηεκα πφισλ κφληκνπ καγλήηε, πνπ κπνξεί λα είλαη έθηππνη ή θπιηλδξηθνί. Οη έθηππνη πφινη είλαη πην ζπλεζηζκέλνη ζε κεραλέο ρακειήο ηαρχηεηαο θαη είλαη πην ρξήζηκνη γηα εθαξκνγέο αλεκνγελλεηξηψλ. Ζ ζχγρξνλε θχζε ησλ ζχγρξνλσλ γελλεηξηψλ κε κφληκν καγλήηε (PMSG) κπνξεί λα δεκηνπξγήζεη πξνβιήκαηα θαηά ηελ εθθίλεζε, ηνλ ζπγρξνληζκφ θαη ηε ξχζκηζε ηεο ηάζεο. Ζ ζχγρξνλε ιεηηνπξγία πξνθαιεί επίζεο δχζθακπηε ζπκπεξηθνξά ζε πεξίπησζε πνπ ε ηαρχηεηα ηνπ αέξα δελ είλαη ζηαζεξή. Έλα αθφκα κεηνλέθηεκα απηνχ ηνπ ηχπνπ γελλεηξηψλ είλαη φηη ηα καγλεηηθά πιηθά είλαη επαίζζεηα ζηηο πςειέο ζεξκνθξαζίεο κε απνηέιεζκα λα απαηηείηαη θάπνην ζχζηεκα ςχμεο Δπίδξαζε ησλ αηνιηθώλ ζπζηεκάησλ ζηνλ έιεγρν ηεο ηάζεο Ζ θχξηα ιεηηνπξγία ελφο ειεθηξηθνχ ζπζηήκαηνο είλαη ε κεηαθνξά ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ ηε γελλήηξηα ζην δίθηπν. Πξνθεηκέλνπ λα ιεηηνπξγεί θαλνληθά έλα δίθηπν, είλαη ζεκαληηθφ νη ηάζεηο ζηνπο δπγνχο ηνπ λα δηαηεξνχληαη θνληά ζηελ νλνκαζηηθή ηηκή. Παξαδνζηαθά, απηφ επηηπγράλεηαη κε δηαθνξεηηθφ ηξφπν ζην δίθηπν κεηαθνξάο απ φηη ζην δίθηπν δηαλνκήο. ηα ζπζηήκαηα κεηαθνξάο, νη κεγάινη ζηαζκνί παξαγσγήο ελέξγεηαο δηαηεξνχλ ηηο ηάζεηο ησλ δπγψλ εληφο ησλ νξίσλ παξέθθιηζεο απφ ηηο νλνκαζηηθέο ηηκέο, κε απνηέιεζκα λα είλαη πεξηνξηζκέλεο νη ζπζθεπέο ειέγρνπ ηεο ηάζεο. Αληίζεηα, ηα δίθηπα δηαλνκήο έρνπλ ελζσκαησκέλεο ζπζθεπέο γηα ηνλ έιεγρν ηεο ηάζεο. Όηαλ έρνπκε δηεζπαξκέλε παξαγσγή ζην δίθηπν δηαλνκήο νη γελλήηξηεο πνπ ππάξρνπλ πνιχ ζπάληα εκπιέθνληαη ζηνλ έιεγρν ηεο ηάζεο ησλ θφκβσλ. Οη πην ζπρλά ρξεζηκνπνηνχκελεο ζπζθεπέο ειέγρνπ ηεο ηάζεο ζηα δίθηπα δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο είλαη κεηαζρεκαηηζηέο κε κεηαβιεηφ ιφγν ηπιηγκάησλ (tap changers). Δπίζεο ρξεζηκνπνηνχληαη ειεθηξνληθά ειεγρφκελνη ζηαηηθνί αληηζηαζκηζηέο αέξγνπ ηζρχνο κε ππθλσηέο ή πελία (switched capacitors or reactors). Με ζπλδπαζκφ ησλ πξναλαθεξζέλησλ κπνξεί λα δηαηεξεζεί ε ηάζε ζε φινπο ηνπο θφκβνπο γηα ηα δίθηπα κεηαθνξάο θαη δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο εληφο ησλ επηζπκεηψλ επηπέδσλ. Ωζηφζν, θάπνηεο πην ζχγρξνλεο εμειίμεηο ζέηνπλ ππφ ακθηζβήηεζε απηή ηε θιαζηθή πξνζέγγηζε. Μηα απφ απηέο είλαη ε απμεκέλε ρξήζε αλεκνγελλεηξηψλ γηα ηελ παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Οη αλεκνγελλήηξηεο επεξεάδνπλ ηα ξεχκαηα ή ηηο ξνέο ηζρχνο ζηα δίθηπα δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο ζηα νπνία είλαη ζπλδεδεκέλεο θαη επεηδή νη ηάζεηο ησλ θφκβσλ είλαη άκεζα ζπλδεδεκέλεο κε ηηο ξνέο ηζρχνο, ινγηθφ είλαη λα επεξεάδνπλ θαη απηέο. Απηφ κπνξεί λα νδεγήζεη ζε πξνβιήκαηα αλ νη ζπζθεπέο πνπ είλαη ήδε εγθαηεζηεκέλεο ζην δίθηπν δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο δελ είλαη ηθαλέο λα αληηζηαζκίζνπλ ηηο επηπηψζεηο απηέο. ε απηή ηελ πεξίπησζε, νη ηάζεηο ζε θάπνηνπο θφκβνπο κέζα ζην δίθηπν δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο δε κπνξνχλ 93

99 λα δηαηεξεζνχλ εληφο ησλ επηηξεπνκέλσλ απνθιίζεσλ απφ ηηο νλνκαζηηθέο ηνπο ηηκέο θαη γηα ην ιφγν απηφ πξέπεη λα ιεθζνχλ θαηάιιεια κέηξα. Παξφκνηα πξνβιήκαηα πξνθχπηνπλ φηαλ κεγάια πάξθα ζπλδένληαη ζε δίθηπα κεηαθνξάο. Καη πάιη, ην αηνιηθφ πάξθν επεξεάδεη ηηο ξνέο ηζρχνο θαη θαη επέθηαζε ηηο ηάζεηο ησλ θφκβσλ, αιιά ζε απηή ηελ πεξίπησζε ζην δίθηπν κεηαθνξάο. Βέβαηα ζηα δίθηπα απηά νη ηάζεηο ειέγρνληαη απφ ηνπο κεγάινπο ζπκβαηηθνχο ζηαζκνχο παξαγσγήο ελέξγεηαο. Αλ φκσο ε ηθαλφηεηα ηνπο λα ειέγρνπλ ηηο ηάζεηο ηνπ δηθηχνπ δελ είλαη επαξθήο γηα λα αληηζηαζκίζεη ηελ επίδξαζε πνπ ζα έρνπλ νη αλεκνγελλήηξηεο ζηηο ηάζεηο ησλ δπγψλ, ηφηε θαη πάιη ε ηάζε θάπνησλ απφ απηνχο δε ζα κπνξέζεη λα δηαηεξεζεί εληφο ησλ επηηξεπφκελσλ απνθιίζεσλ απφ ηηο νλνκαζηηθέο ηνπο ηηκέο. Πξνθαλψο θαη ζε απηή ηελ πεξίπησζε πξέπεη λα ιεθζνχλ αλάινγα κέηξα Έιεγρνο ηάζεο ζηε δηεζπαξκέλε παξαγσγή Ο έιεγρνο ηεο ηάζεο ζε έλα δίθηπν ειεθηξηθήο ελέξγεηαο έρεη ζαλ ζθνπφ λα δηαηεξεί ηε ηηκή ησλ ηάζεσλ ηνπ ζπζηήκαηνο εληφο ησλ θαζνξηζκέλσλ νξίσλ. Γεληθά, ν έιεγρνο ηεο ηάζεο γίλεηαη απαξαίηεηνο ιφγσ ηεο ρσξεηηθφηεηαο, ηεο αληίζηαζεο θαη ηεο απηεπαγσγήο ησλ δηαθφξσλ ζηνηρείσλ ελφο δηθηχνπ φπσο ησλ κεηαζρεκαηηζηψλ, ησλ γξακκψλ θαη ησλ θαισδίσλ, ηα νπνία ζηε ζπλέρεηα γηα επθνιία ζα αλαθέξνληαη σο θιάδνη. Δπεηδή ινηπφλ, νη θιάδνη έρνπλ ρσξεηηθφηεηα, αληίζηαζε θαη απηεπαγσγή, ε ξνή θάπνηνπ ξεχκαηνο κέζα απφ απηνχο πξνθαιεί δηαθνξά ηάζεο κεηαμχ ησλ άθξσλ ηνπο. Παξά ην γεγνλφο φηη ππάξρεη δηαθνξά δπλακηθνχ κεηαμχ ησλ άθξσλ θάζε θιάδνπ, ε ηάζε ζε θάζε ηέηνην ζεκείν δελ επηηξέπεηαη λα απνθιίλεη πνιχ απφ ηελ νλνκαζηηθή ηηκή ηεο (ζπλήζσο απφ 5% κέρξη 10%). Δίλαη ζεκαληηθφ λα ηνληζηεί φηη ε ηάζε ησλ δπγψλ είλαη κηα ηνπηθή κεηαβιεηή, ζε αληίζεζε κε ηε ζπρλφηεηα ηνπ ζπζηήκαηνο, ε νπνία είλαη κηα κεηαβιεηή πνπ αθνξά ζπλνιηθά ην ζχζηεκα. Δίλαη επνκέλσο πξνθαλέο φηη δελ είλαη δπλαηφλ λα ειεγρζνχλ φινη νη δπγνί ηνπ ζπζηήκαηνο απφ έλα ζεκείν φπσο αληίζηνηρα κπνξεί λα γίλεη κε ηελ ζπρλφηεηα. Ο έιεγρνο ηεο ηάζεο θάζε δπγνχ κπνξεί λα γίλεη κφλν ζηνλ ζπγθεθξηκέλν δπγφ. Ζ ζπγθεθξηκέλε παξαηήξεζε είλαη εμαηξεηηθά ζεκαληηθή γηα λα γίλεη θαηαλνεηή ε επίδξαζε ηεο αληηθαηάζηαζεο ηεο ζπκβαηηθήο παξαγσγήο απφ αλεκνγελλήηξηεο ζηνλ έιεγρν ηεο ηάζεο. Τπάξρνπλ αξθεηνί ηξφπνη λα επεξεαζηεί ε ηάζε ζηνπο θφκβνπο. Οη ηξφπνη απηνί δηαθέξνπλ ζεκειησδψο κεηαμχ ησλ δηθηχσλ κεηαθνξάο θαη ησλ δηθηχσλ δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο. Σν γεγνλφο απηφ νθείιεηαη ζηα δηαθνξεηηθά ραξαθηεξηζηηθά ησλ θιάδσλ αλάκεζα ζηα δχν είδε δηθηχσλ, αιιά θαη ηνπο δηαθνξεηηθνχο ηχπνπο θαη αξηζκφ γελλεηξηψλ πνπ ππάξρνπλ ζην θαζέλα. Σα δίθηπα κεηαθνξάο απνηεινχληαη απφ ελαέξηεο γξακκέο κε πνιχ ρακειή αληίζηαζε. Ζ δηαθνξά ηάζεο ζηα άθξα κηαο γξακκήο κε κεγάιε επαγσγηθή αληίζηαζε ζε ζρέζε κε ηελ σκηθή αληίζηαζή ηεο, ζπζρεηίδεηαη άκεζα κε ηελ ξνή αέξγνπ ηζρχνο. χκθσλα κε ηα ραξαθηεξηζηηθά ησλ ζπζηεκάησλ κεηαθνξάο αιιά θαη ησλ ζπλδεδεκέλσλ γελλεηξηψλ, νη ηάζεηο ησλ δπγψλ ειέγρνληαη θπξίσο αιιάδνληαο ηελ παξαγσγή ή ηελ θαηαλάισζε αέξγνπ ηζρχνο ησλ γελλεηξηψλ πνπ είλαη ζπλδεδεκέλεο ζην ζχζηεκα. Απηέο νη γελλήηξηεο είλαη εχθνια πξνζβάζηκεο απφ ηνπο ρεηξηζηέο ηνπ ζπζηήκαηνο εμαηηίαο ηνπ ζρεηηθά κηθξνχ πιήζνπο ηνπο θαη ηνπ γεγνλφηνο φηη είλαη ζπλερψο ππφ 94

100 παξαθνινχζεζε. Δπηπιένλ είλαη πνιχ επέιηθηεο ζηε ιεηηνπξγία ηνπο θαη επηηξέπνπλ ην ζπλερή έιεγρν ηεο παξαγσγήο αέξγνπ ηζρχνο ζε έλα κεγάιν εχξνο. Αξθεηέο θνξέο ρξεζηκνπνηείηαη επηπιένλ ζπγθεθξηκέλνο εμνπιηζκφο γηα απηή ηε δνπιεηά. Ο εμνπιηζκφο απηφο είλαη θαηά θχξην ιφγν πεγέο αέξγνπ ηζρχνο πνπ κπνξνχλ λα ειεγρζνχλ. Σα δίθηπα δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο απνηεινχληαη απφ ελαέξηεο γξακκέο ή ππφγεηα θαιψδηα, ζηα νπνία ε σκηθή αληίζηαζε δελ είλαη ακειεηέα ζε ζρέζε κε ηελ απηεπαγσγή. Οπφηε, ε επίδξαζε ηεο αέξγνπ ηζρχνο ζηηο ηάζεηο ησλ θφκβσλ είλαη ιηγφηεξν έληνλε απφ ηελ πεξίπησζε πνπ έρνπκε ζπζηήκαηα κεηαθνξάο. Δπηπιένλ, νη γελλήηξηεο πνπ είλαη ζπλδεδεκέλεο ζε δίθηπα δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο δελ είλαη πάληνηε ηθαλέο λα κεηαβάιινπλ ηελ άεξγν ηζρχ ηνπο γηα λα ζπλεηζθέξνπλ ζηνλ έιεγρν ηεο ηάζεο. Άξα ε ηάζε ησλ θφκβσλ ζε απηά ηα δίθηπα ειέγρεηαη θπξίσο αιιάδνληαο ην ιφγν κεηαζρεκαηηζκνχ ζην κεηαζρεκαηηζηή πνπ ζπλδέεη ην δίθηπν ζε πςειφηεξα επίπεδα ηάζεο θαη κεξηθέο θνξέο επίζεο κε ζπζθεπέο νη νπνίεο παξάγνπλ ε θαηαλαιψλνπλ άεξγν ηζρχ, φπσο ππθλσηέο. ε γεληθέο γξακκέο ηα δίθηπα δηεζπαξκέλεο ελέξγεηαο δίλνπλ πνιχ ιηγφηεξεο δπλαηφηεηεο ειέγρνπ ηεο ηάζεο Άεξγνο θαη ελεξγόο ηζρύο ηα δίθηπα ελαιιαζζφκελνπ (ac) ξεχκαηνο ζπρλά ππάξρεη δηαθνξά θάζεο κεηαμχ ηνπ εκηηνλνεηδνχο ξεχκαηνο πνπ παξέρεηαη ζην δίθηπν θαη ηεο ηάζεο ζηα δηάθνξα ζεκεία. Σν κέγεζνο απηήο ηεο δηαθνξάο θάζεο εμαξηάηαη απφ ηελ αληίζηαζε, ηελ απηεπαγσγή θαη ηελ ρσξεηηθφηεηα ηνπ ζπζηήκαηνο ζην νπνίν νη δηάθνξεο γελλήηξηεο παξέρνπλ ηελ ελέξγεηα ηνπο αιιά θαη ζηα ραξαθηεξηζηηθά θαη ζην ζεκείν ιεηηνπξγίαο ηεο θάζε γελλήηξηαο. ηελ πεξίπησζε ac παξαγσγήο, ην πνζφ ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο δελ είλαη ίζν κε ην γηλφκελν ηεο RMS ηηκή ηεο ηάζεο θαη ηνπ ξεχκαηνο ηεο γελλήηξηαο, φπσο είλαη ζηε dc παξαγσγή. Σν πνζφ ηεο παξαγφκελεο ηζρχνο εμαξηάηαη φρη κφλν απφ ην πιάηνο ηεο ηάζεο θαη ηνπ ξεχκαηνο αιιά θαη απφ ην κέγεζνο ηεο δηαθνξάο θάζεο κεηαμχ ηνπο. Σν ξεχκα ζε κηα ac γελλήηξηα κπνξεί λα ρσξηζηεί ζε κία ζπληζηψζα πνπ βξίζθεηαη ζε θάζε κε ηε ηεξκαηηθή ηάζε θαη κία ζπληζηψζα πνπ είλαη κεηαηνπηζκέλε θαηά Μφλν ε ζπληζηψζα πνπ είλαη ζε θάζε κε ηελ ηάζε παξέρεη ελέξγεηα ζην δίθηπν. Καηά ζπλέπεηα ε ελεξγφο ηζρχο (πνπ ζπκβνιίδεηαη κε ην P) είλαη ίζε κε ην γηλφκελν ηεο RMS ηηκήο ηεο ζπκθαζηθήο ηηκήο ηνπ ξεχκαηνο ηεο γελλήηξηαο κε ηελ ηεξκαηηθή ηεο ηάζε. Σν γηλφκελν ηεο ηάζεο ηεο πεγήο θαη ηεο άιιεο ζπληζηψζαο ηνπ ξεχκαηνο είλαη ε άεξγνο ηζρχο θαη ζπκβνιίδεηαη κε ην Q. Μηα αθφκα ζεκαληηθή πνζφηεηα είλαη ν ζπληειεζηήο ηζρχνο, ν νπνίνο σο γλσζηψλ είλαη PF cos P P Q 2 2 ( ) φπνπ θ είλαη ε δηαθνξά θάζεο κεηαμχ ηεο ηεξκαηηθήο ηάζεο θαη ηνπ ηεξκαηηθνχ ξεχκαηνο ζε rad. Αλ ε γσλία θ είλαη ίζε κε κεδέλ, ηφηε πξνθαλψο ην ζπλεκίηνλν 95

101 ηζνχηαη κε κνλάδα θαη ηφηε ε άεξγνο ηζρχο ηζνχηαη κε κεδέλ θαη κφλν ελεξγφο ηζρχο αληαιιάζζεηαη κε ην δίθηπν. Ζ θαηάζηαζε απηή ιέγεηαη ιεηηνπξγία κε κνλαδηαίν ζπληειεζηή ηζρχνο Δπίδξαζε ηεο αηνιηθήο ελέξγεηαο ζηνλ έιεγρν ηεο ηάζεο ζηα ζπζηήκαηα κεηαθνξάο θαη ζηα δίθηπα δηαζπαξκέλεο ελέξγεηαο Όπσο αλαθέξζεθε θαη λσξίηεξα, ζηα δίθηπα κεηαθνξάο ε ξχζκηζε ηεο ηάζεο γίλεηαη απφ ηνπο κεγάινπο ζπκβαηηθνχο ζηαζκνχο παξαγσγήο πνπ ρξεζηκνπνηνχλ ζχγρξνλεο γελλήηξηεο, αλ θαη θάπνηεο θνξέο ππάξρεη θαη θάπνηνο επηπιένλ εμνπιηζκφο γηα ην ίδην ζθνπφ, φπσο ζπζηνηρίεο ππθλσηψλ. ηηο κέξεο καο φκσο ν έιεγρνο ηεο ηάζεο δελ είλαη απνθιεηζηηθή ππνρξέσζε ησλ κεγάισλ εξγνζηαζίσλ παξαγσγήο ελέξγεηαο. Οη δηαρεηξηζηέο ηνπ δηθηχνπ απαηηνχλ απφ νπνηνλδήπνηε λέν παξαγσγφ λα δηαζέηεη θαη ηε δπλαηφηεηα παξαγσγήο αέξγνπ ηζρχνο, αλεμάξηεηα κε ηελ ηερλνινγία πνπ ρξεζηκνπνηεί. Σν γεγνλφο απηφ ζεκαίλεη πσο πιένλ δελ γίλεηαη θακία εμαίξεζε νχηε θαλ γηα ηηο αλεκνγελλήηξηεο θαη ηηο άιιεο αλαλεψζηκεο πεγέο ελέξγεηαο φπσο ζπλήζσο γηλφηαλ κέρξη ζήκεξα. Οη αλεκνγελλήηξηεο θαη ηα αηνιηθά πάξθα ηείλνπλ λα θαηαζθεπάδνληαη ζε απνκνλσκέλεο πεξηνρέο ή ζηε ζάιαζζα εμαηηίαο ησλ δηαζηάζεσλ ηνπο αιιά θαη ηεο επίδξαζεο ηνπο ζην θπζηθφ ηνπίν. Άκεζε ζπλέπεηα είλαη φηη γίλεηαη δχζθνιν λα ειεγρζεί ε ηάζε ζε ηέηνηα απνκαθξπζκέλα κέξε απφ ζηαζκνχο παξαγσγήο πνπ βξίζθνληαη ζε θάπνηα άιια ζεκεία ηνπ δηθηχνπ. Γηα ην ιφγν απηφ νη αλεκνγελλήηξηεο ζα πξέπεη λα έρνπλ θαη απηέο ηε δπλαηφηεηα ειέγρνπ ηεο ηάζεο. Αλεμάξηεηα απφ ηελ δηθηά ηνπο απηφλνκε ηθαλφηεηα ειέγρνπ ηεο ηάζεο κπνξεί λα θαζίζηαηαη αλαγθαία ε επηπιένλ εγθαηάζηαζε ζπζθεπψλ πνπ λα ξπζκίδνπλ ηελ ηάζε [8]. Γχν είλαη νη παξαδνζηαθέο κέζνδνη αληηκεηψπηζεο απηνχ ηνπ πξνβιήκαηνο ζε ηέηνηνπ είδνπο δίθηπα. Ζ πξψηε είλαη ε ρξήζε κεηαζρεκαηηζηψλ κε κεηαβιεηφ ιφγν κεηαζρεκαηηζκνχ θαη ε δεχηεξε είλαη ε ρξήζε ζπζθεπψλ πνπ κπνξνχλ λα παξάγνπλ ή λα θαηαλαιψζνπλ άεξγν ηζρχ. Ζ ρξήζε απηψλ ησλ κεηαζρεκαηηζηψλ δελ απνηειεί θαη ηελ πην επέιηθηε ιχζε. Δθηφο ηεο επίδξαζεο ζηε ηάζε ελφο δπγνχ απφ ην αλ ν ιφγνο κεηαζρεκαηηζκνχ απμάλεηαη ε κεηψλεηαη επεξεάδεηαη θαη ε ζπλνιηθή δηακφξθσζε ησλ ηάζεσλ ηνπ δηθηχνπ. Ππθλσηέο θαη πελία απνδίδνπλ πνιχ θαιχηεξα, κηαο θαη επεξεάδνπλ ζρεδφλ απνθιεηζηηθά ηελ ηάζε ηνπ θφκβνπ ζηνλ νπνίν είλαη ζπλδεδεκέλνη. Ωζηφζν, ε επαηζζεζία ηεο ηάζεο ηνπ θφκβνπ ζε αιιαγέο ηεο αέξγνπ ηζρχνο είλαη πνιχ πεξηνξηζκέλε κε απνηέιεζκα λα απαηηνχληαη κεγάινη ππθλσηέο θαη πελία. Απηφ ην κεηνλέθηεκα νθείιεηαη ζην κεγάιν ιφγν ηεο σκηθήο αληίζηαζεο πξνο ηελ επαγσγηθή ησλ θιάδσλ ζηα δίθηπα δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο ζε ζρέζε κε απηά ηεο κεηαθνξάο. Καζψο, φιν θαη πεξηζζφηεξν νη αλεκνγελλήηξηεο θαη ηα θσηνβνιηατθά ζπλδένληαη ζηα δίθηπα, γίλεηαη πην πνιχπινθνο ν έιεγρνο ηεο ηάζεο. Αλ ε παξαγφκελε ελέξγεηα δελ ζπκβαδίδεη κε ηα θνξηία, ηφηε νη κεηαβνιέο ζηα ξεχκαηα ησλ θιάδσλ κεηαηξέπνληαη ζε κεηαβνιέο ζηε ηάζε ησλ θφκβσλ. Ζ κέγηζηε θαη ειάρηζηε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ελφο θιάδνπ ζπλεζίδεηαη λα ζρεηίδεηαη κφλν κε ην θνξηίν, αιιά κε ηε ζχλδεζε ηεο δηαζπαξκέλεο παξαγσγήο ηα φξηα ηεο ηηκήο ηνπ ξεχκαηνο εμαξηψληαη θαη απφ ηελ εμαγφκελε ελέξγεηα ηνπ θαηαλεκεκέλνπ παξαγσγνχ. 96

102 Οη κηθξνί απηνί παξαγσγνί είλαη πην δχζθνιν λα ειέγμνπλ ηελ ηάζε απφ ηηο γελλήηξηεο ησλ κεγάισλ ζηαζκψλ παξαγσγήο πνπ ζπλδένληαη ζην ζχζηεκα κεηαθνξάο, επεηδή δελ είλαη πάληα δπλαηφλ λα κεηαβάιινπλ ηελ παξαγσγή ηεο αέξγνπ ηζρχνο κπνξεί λα είλαη πνιχ δαπαλεξφ λα εμνπιηζηνχλ κε πξφζζεην εμνπιηζκφ πνπ ζα ηνπο πξνζδψζεη ηελ δπλαηφηεηα ειέγρνπ ηεο ηάζεο ε παξνρή ηέηνηαο δπλαηφηεηαο ειέγρνπ, κπνξεί λα απμήζεη ην θίλδπλν λεζηδνπνίεζεο πνιιέο απφ απηέο είλαη ηδηαίηεξα δχζθακπηεο ζε αιιαγέο ζηηο παξακέηξνπο ησλ ειεγθηψλ ηνπο Γπλαηόηεηα ειέγρνπ ηεο ηάζεο από ηηο αλεκνγελλήηξηεο Ζ κεγάιε πιεηνςεθία ησλ αλεκνγελλεηξηψλ πνπ εγθαζίζηαληαη ζήκεξα ρξεζηκνπνηνχλ θάπνηνπο δεδνκέλνπο ηχπνπο ειεθηξνκεραληθνχ ζπζηήκαηνο παξαγσγήο ελέξγεηαο. Όπσο αλαθέξζεθε θαη λσξίηεξα, νη ηάζεηο ησλ θφκβσλ εμαξηψληαη απφ ηα ραξαθηεξηζηηθά θαη ηα ξεχκαηα ησλ θιάδσλ. ε ζπζηήκαηα κεηαθνξάο θαη δίθηπα δηεζπαξκέλεο παξαγσγήο, ε ηάζε ησλ θφκβσλ θαη ε άεξγνο ηζρχο ζπλδένληαη θαη θαη επέθηαζε κπνξεί λα γίλεη έιεγρνο ηεο ηάζεο ησλ θφκβσλ κέζσ αιιαγψλ ζηε παξαγσγή ή θαηαλάισζε άεξγνπ ηζρχνο ζηε γελλήηξηα. Υξήζηκν είλαη λα δνχκε ηηο δπλαηφηεηεο ειέγρνπ ηεο ηάζεο γηα θάζε δηαθνξεηηθφ ηχπν αλεκνγελλεηξηψλ πνπ αλαθέξζεθε λσξίηεξα. Οη αλεκνγελλήηξηεο ζηαζεξήο ηαρχηεηαο έρνπλ επαγσγηθέο γελλήηξηεο βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ, νη νπνίεο πάληνηε θαηαλαιψλνπλ άεξγν ηζρχ. Σν πνζφ ηεο άεξγνπ ηζρχνο πνπ θαηαλαιψλνπλ εμαξηάηαη απφ ηελ ηεξκαηηθή ηάζε, ηελ παξαγσγή άεξγνπ ηζρχνο θαη ηελ ηαρχηεηα ηνπ δξνκέα. Απηφο ν ηχπνο γελλήηξηαο δελ κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα έιεγρν ηεο ηάζεο, αθνχ κπνξεί κφλν λα θαηαλαιψζεη θαη φρη λα παξάγεη άεξγν ηζρχ θαη ζπλεπψο δελ κπνξεί λα ειεγρζεί ε αληαιιαγή άεξγνπ ηζρχνο κε ην δίθηπν. Σν γεγνλφο φηη απηφο ν ηχπνο γελλήηξηαο θαηαλαιψλεη άεξγν ηζρχ κπνξεί λα απνηειέζεη κεηνλέθηεκα, ηδηαηηέξσο ζε πεξίπησζε πνπ έρνπκε κεγάιεο αλεκνγελλήηξηεο ε αηνιηθά πάξθα ή αδχλακα δίθηπα. ε απηέο ηηο πεξηπηψζεηο ε θαηαλάισζε άεξγνπ ηζρχνο κπνξεί λα πξνθαιέζεη ζνβαξέο πηψζεηο ηάζεο ζηνπο θφκβνπο. Γηα ην ιφγν απηφ γίλεηαη αληηζηάζκηζε ηεο άεξγνπ ηζρχνο κε ηε ρξήζε ππθλσηψλ. Με ηνλ ηξφπν απηφ ε αληαιιαγή άεξγνπ ηζρχνο κεηαμχ ηνπ ζπλδπαζκνχ ηεο γελλήηξηαο θαη ηνπ ππθλσηή απφ ηε κία θαη ηνπ δηθηχνπ απφ ηελ άιιε κπνξεί λα κεησζεί κε απνηέιεζκα ηε βειηίσζε ηνπ ζπληειεζηή ηζρχνο ηνπ ζπζηήκαηνο. Έλαο ζπκβαηηθφο ππθλσηήο είλαη κηα κε ειεγρφκελε πεγή άεξγνπ ηζρχνο. Πξνζζέηνληαο ππθλσηέο αληηζηάζκηζεο, ε αξλεηηθή επηξξνή ηεο αλεκνγελλήηξηαο ζηελ ηάζε ησλ θφκβσλ κεηψλεηαη. Απηή φκσο είλαη κφλν πνηνηηθή βειηίσζε. Οη δπλαηφηεηεο ειέγρνπ ηεο ηάζεο φκσο δελ βειηηψλνληαη κηαο θαη ππάξρεη αθφκα κηα κνλαδηθή ζρέζε κεηαμχ ηεο ηαρχηεηαο ηνπ δξνκέα, ηεο ηεξκαηηθήο ηάζεο θαη ηεο 97

103 ελεξγνχ θαη αέξγνπ ηζρχνο. Ο έιεγρνο ηάζεο ζε κηα ηέηνηα γελλήηξηα κπνξεί λα βειηησζεί κφλν κε ηε ρξήζε πην πξνεγκέλσλ ιχζεσλ αληί ησλ ζπκβαηηθψλ ππθλσηψλ. Σέηνηεο ιχζεηο απνηεινχλ νη ειεγρφκελεο πεγέο αέξγνπ ηζρχνο φπσο ζπζηνηρίεο ππθλσηψλ ειεθηξνληθά ειεγρφκελεο. Ζ παξαγσγή αέξγνπ ηζρχνο κηαο επαγσγηθήο γελλήηξηαο δηπιήο ηξνθνδνζίαο κπνξεί λα ειεγρζεί απφ ην ξεχκα ηνπ δξνκέα. ε απηή ηελ πεξίπησζε δελ ηζρχεη ε κνλαδηθή ζρέζε κεηαμχ ηεο αέξγνπ ηζρχνο θαη ησλ άιισλ πνζνηήησλ φπσο ζηελ πξνεγνχκελε πεξίπησζε. ηελ επαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο ε άεξγνο ηζρχο επεξεάδεηαη ζε πνιχ κηθξφηεξν βαζκφ απφ ηε ηαρχηεηα ηνπ δξνκέα θαη ηελ παξαγφκελε ελεξγφ ηζρχ, απ φηη ζηελ επαγσγηθή γελλήηξηα βξαρπθπθισκέλνπ θισβνχ. Ο ιφγνο γηα απηφ είλαη φηη θαη ε ξνπή ηεο γελλήηξηαο θαη ε παξαγσγή αέξγνπ ηζρχνο εμαξηψληαη άκεζα απφ ην ξεχκα πνπ εγρέεη ν ειεθηξνληθφο κεηαηξνπέαο ηζρχνο ζην δξνκέα. Σν κέηξν θαη ε γσλία ηνπ ξεχκαηνο θαζνξίδεη ηελ επηζπκεηή ξνπή θαη άεξγν ηζρχ. ηελ πεξίπησζε ηεο αλεκνγελλήηξηαο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο πνπ είλαη ζπλδεδεκέλε ζην δίθηπν κέζσ κεηαηξνπέα ηζρχνο, ε αληαιιαγή αέξγνπ ηζρχνο κε ην δίθηπν δελ θαζνξίδεηαη απφ ηηο ηδηφηεηεο ηεο γελλήηξηαο αιιά απφ ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ κεηαηξνπέα ζηε πιεπξά ηνπ δηθηχνπ αθνχ ε γελλήηξηα είλαη πιήξσο απνδεπγκέλε απφ ην δίθηπν. Απηφ ζεκαίλεη πσο ν ζπληειεζηήο ηζρχνο ηεο γελλήηξηαο θαη ν ζπληειεζηήο ηζρχνο ηνπ κεηαηξνπέα ζηε πιεπξά ηνπ δηθηχνπ κπνξεί λα ειεγρζεί αλεμάξηεηα Έιεγρνο αλεκνγελλεηξηώλ κεηαβιεηήο ηαρύηεηαο Γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ ζρήκαηνο κεηαβιεηψλ ζηξνθψλ θαη πξνθεηκέλνπ λα επηηπγράλεηαη ε βέιηηζηε ιεηηνπξγία ησλ αλεκνγελλεηξηψλ, επηβάιιεηαη ε εθαξκνγή ειέγρσλ ζηνπο back-to-back κεηαηξνπείο. Ζ ινγηθή ειέγρνπ γηα ηνπο δηάθνξνπο ηχπνπο αλεκνγελλεηξηψλ δελ δηαθέξεη ξηδηθά, αιιά θάπνηα ζεκεία δηαθνξνπνηνχληαη ιφγσ ηεο ηδηαίηεξεο θχζεο ηνπ θάζε ηχπνπ μερσξηζηά. Μηθξέο δηαθνξνπνηήζεηο θαη θπξίσο βειηηζηνπνηήζεηο πνπ εληνπίδνληαη ζηε πιεπξά ηεο γελλήηξηαο, ζπλήζσο δελ επεξεάδνπλ ηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ φπνπ ε ινγηθή ειέγρνπ είλαη ίδηα γηα φινπο ηνπο ηχπνπο κεραλψλ. Μεγαιχηεξεο δηαθνξνπνηήζεηο αλαπφθεπθηα επεξεάδνπλ ηε δνκή ηνπ ειέγρνπ θαη ζηηο δχν πιεπξέο. Όπσο αλαθέξζεθε θαη λσξίηεξα ζην Κεθάιαην 2 (παξάγξαθνο ), ζηηο αλεκνγελλήηξηεο πνπ ρξεζηκνπνηνχλ ηελ ηερλνινγία κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο, i) ην ζεκείν ιεηηνπξγίαο ηνπο θαη ε κέγηζηε παξαγφκελε ηζρχο εμαξηάηαη απφ ηελ ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο ηνπ δξνκέα σ r πνπ πξνζαξκφδεηαη αλάινγα πξνο ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ, ii) εθαξκφδεηαη ζπκπιεξσκαηηθά ν έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο γηα ηαρχηεηεο κεγαιχηεξεο ηεο νλνκαζηηθήο. Έηζη πξηλ πξνρσξήζνπκε ζηα ζρήκαηα ειέγρνπ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζηνπο δηάθνξνπο ηχπνπο αλεκνγελλεηξηψλ κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο, ζα αλαθεξζνχκε πξψηα ζηηο δχν απηέο ηερληθέο. 98

104 Δύξεζε ηεο ηαρύηεηαο αλαθνξάο Όπσο αλαθέξζεθε, ε ινγηθή ηνπ ειέγρνπ γίλεηαη κε βάζε ηελ εχξεζε ηεο θαηάιιειεο ηαρχηεηαο αλαθνξάο γηα θάζε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ, ε νπνία ζα δηαηεξεί ζε ζηαζεξή ηηκή ζην ζχζηεκα ην ιφγν ηεο ηαρχηεηαο ησλ αθξνπηεξπγίσλ ι, δειαδή ζηελ ηηκή ε νπνία αληηζηνηρεί ζηελ βέιηηζηε ηηκή ηνπ ζπληειεζηή ηζρχνο C P. Γηα ηνλ έιεγρν ηεο ηαρχηεηαο, ρξεζηκνπνηείηαη ε γλσζηή ραξαθηεξηζηηθή ζρέζε ηεο ηαρχηεηαο ηνπ ξφηνξα γηα ην βέιηηζην ι, ε νπνία απφ ηε κέηξεζε ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ, δίλεη ηελ ηηκή αλαθνξάο γηα ηελ ηαρχηεηα ηνπ ξφηνξα (είζνδνο ζην ζχζηεκα ειέγρνπ). Σν απιφ απηφ ζχζηεκα θαίλεηαη ζην ζρήκα 4.4. ρήκα 4.4 χζηεκα ειέγρνπ κε κέηξεζε ηνπ αλέκνπ γηα ηελ εχξεζε ηεο ηηκήο αλαθνξάο ηεο σ r [4] Απηή είλαη κία απφ ηηο ηερληθέο πνπ κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί πξνθεηκέλνπ λα δηαηεξεζεί ζηαζεξή, θνληά ζηε βέιηηζηε ε ηηκή ηνπ ζπληειεζηή ηζρχνο C P. Άιιεο ηερληθέο ρξεζηκνπνηνχλ ηνλ αιγφξηζκν γηα ηελ εχξεζε ηνπ ζεκείνπ ηεο κέγηζηεο ηζρχνο (γλσζηφ σο MPPT-Maximum Power Point Tracking). Καλνληθά, ζηνλ αιγφξηζκν MPPT ε εμαγσγή ηεο ηηκήο ηεο ηαρχηεηαο αλαθνξάο βαζίδεηαη ζηε κέηξεζε ηεο παξαγφκελεο ηζρχνο ε νπνία επαλαιεπηηθά δηνξζψλεηαη κέρξη λα πξνθχςεη ε βέιηηζηε (κέγηζηε) ηηκή. Ζ κέζνδνο MPPT πξνηηκάηε απφ πνιινχο [4] επεηδή ε κέηξεζε ηεο παξαγφκελεο ηζρχνο ζεσξείηαη πην απιή θαη πην αθξηβήο απφ ηελ κέηξεζε ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ. Σν MPPΣ εκπεξηέρεη κηα P-σ r ραξαθηεξηζηηθή, απφ ηελ νπνία πξνθαζνξίδνληαη ηα ζεκεία ηεο κέγηζηεο αεξνδπλακηθήο απφδνζεο. Κάησ απφ ηελ νλνκαζηηθή ηαρχηεηα ηνπ αέξα, ε βέιηηζηε ηζρχο κπνξεί λα επηηεπρζεί εθεί φπνπ εκθαλίδεηαη ν κέγηζηνο ζπληειεζηήο ηζρχνο C p_opt. Οπφηε ε γσλία βήκαηνο δηαηεξείηαη ζηελ κέγηζηε ηηκή ηεο, ζηηο 0 ν, θαη ε ηαρχηεηα ηεο αλεκνγελλήηξηαο κεηαβάιιεηαη κε ηέηνην ηξφπν ψζηε πάληα λα επηηπγράλεηαη ν βέιηηζηνο ιφγνο ηαρχηεηαο ησλ αθξνπηεξπγίσλ ι opt. αλ απνηέιεζκα εθαξκφδεηαη κηα ραξαθηεξηζηηθή ηεο ηζρχνο αλάινγεο πξνο ηνλ θχβν ηεο ηαρχηεηαο (Ρ-σ r 3 ) ζην MPPT. ηελ έμνδν ηνπ MPPT παίξλνπκε ηελ ηηκή αλαθνξάο γηα ηελ ηζρχ, ε νπνία ππνινγίδεηαη απφ ηελ ραξαθηεξηζηηθή αθνχ κεηξεζεί ε ηαρχηεηα ηεο γελλήηξηαο [9]. 99

105 Διεγθηέο ηεο γσλίαο βήκαηνο πηεξπγίνπ Έλαο απαξαίηεηνο ζπκπιεξσκαηηθφο έιεγρνο γηα φιεο ηηο αλεκνγελλήηξηεο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο είλαη ν έιεγρνο ηεο γσλίαο βήκαηνο (pitch control). ε κηθξέο ή κεζαίεο ηαρχηεηεο ν έιεγρνο ζηνπο κεηαηξνπείο είλαη εθείλνο πνπ βειηηζηνπνηεί ηελ ιεηηνπξγία ηεο αλεκνγελλήηξηαο φζνλ αθνξά ζηε κέγηζηε απφδνζε ηζρχνο απφ ηνλ εηζεξρφκελν αέξα. ε κεγάιεο ηηκέο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ ν έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο δηαηεξεί ηελ αλεκνγελλήηξηα ζηα κέγηζηα φξηα ιεηηνπξγίαο ηεο. Ζ βειηηζηνπνίεζε πνπ επηηπγράλεηαη απφ ηνλ έιεγρν γσλίαο βήκαηνο, κπνξεί λα απμήζεη ηε ζπλνιηθά απνδηδφκελε ελέξγεηα σο θαη 2% ζε εηήζηα βάζε. ηε κφληκε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο ε γσλία θιίζεο ησλ πηεξπγίσλ ηίζεηαη ζηηο 0 ν φηαλ ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ είλαη κηθξφηεξε ηεο νλνκαζηηθήο. ε ηζρπξνχο αλέκνπο ε γσλία θιίζεο ησλ πηεξπγίσλ γηα ηε κφληκε θαηάζηαζε είλαη κεγαιχηεξε ηνπ κεδελφο θαη απμάλεηαη κε ηελ αχμεζε ηεο έληαζεο ηνπ αλέκνπ. ηελ πεξηνρή απηή ζηεξίδεηαη ε θχξηα ρξεζηκφηεηα ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ ειέγρνπ, κηαο θαη ε εθαξκνγή ηνπ επηβάιεη ζηελ αλεκνγελλήηξηα ηελ παξαγσγή ηεο νλνκαζηηθή ηεο ηζρχνο, παξά ην γεγνλφο φηη νη ηαρχηεηεο ηνπ αλέκνπ είλαη κεγαιχηεξεο απφ ηελ νλνκαζηηθή. Σν δηάγξακκα ηεο γσλίαο θιίζεο ζε ζρέζε κε ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ γηα κηα αλεκνγελλήηξηα 2MW θαίλεηαη ζην ζρήκα 4.5. ρήκα 4.5 Γηάγξακκα ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ ζε ζρέζε κε ηε γσλία βήκαηνο.[10] Απηή ε θακπχιε γηα ηελ κφληκε θαηάζηαζε δίλεη ηελ βέιηηζηε γσλία θιίζεο β opt. Απφ ην παξαπάλσ δηάγξακκα είλαη εχθνιν λα νξηζηεί ε γσλία θιίζεο αλαθνξάο β ref γηα ην δπλακηθφ έιεγρν γσλίαο βήκαηνο. Ζ πξαγκαηηθή ηηκή ηεο γσλίαο β ζπγθξίλεηαη κε ηελ ηηκή αλαθνξάο ηεο γσλίαο θιίζεο κέζσ ησλ PI ειεγθηψλ. Θεσξεηηθά, ε ηηκή γηα ηε γσλία θιίζεο κπνξεί λα παίξλεη ηηκέο αλάκεζα ζε έλα εχξνο απφ ηε βέιηηζηε ηηκή β opt =0 ν κέρξη ηε κέγηζηε θιίζε β max = 90 ν. Ο ειεγθηήο ξπζκίδεη δπλακηθά ηε γσλία θιίζεο β νχησο ψζηε λα θηάζεη ζηε ηηκή αλαθνξάο β ref. Μηα άιιε ηερληθή πνπ εθαξκφδεηαη γηα ηνλ έιεγρν ηεο γσλίαο βήκαηνο, γίλεηαη κεηά απφ ζχγθξηζε ηεο ηαρχηεηαο ηεο γελλήηξηαο κε ηελ νλνκαζηηθή ηεο ηηκή. Ο έιεγρνο ηεο γσλίαο βήκαηνο ζε απηή ηελ πεξίπησζε πξαγκαηνπνηείηαη κέζσ ελφο απινχ αλαινγηθνχ - νινθιεξσηηθνχ (PI) ειεγθηή, (ρήκα 4.6). 100

106 ρήκα 4.6 Έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο [9] Πξνθεηκέλνπ λα έρνπκε κηα ξεαιηζηηθή απφθξηζε ζην ζχζηεκα ειέγρνπ ηεο γσλίαο βήκαηνο, ν ζεξβνκεραληζκφο ρξεζηκνπνηεί ηε ζηαζεξά ρξφλνπ T servo θαη πεξηνξηζηέο θαη γηα ηε γσλία βήκαηνο (απφ 0 έσο 30 ν ) αιιά θαη γηα ηνλ ξπζκφ κεηαβνιήο ηεο ( 0 10 /s ). Ζ αλαθνξά ηεο γσλίαο βήκαηνο β ref ζπγθξίλεηαη κε ηελ πξαγκαηηθή γσλία βήκαηνο β θαη ζηε ζπλέρεηα ην ζθάικα δηνξζψλεηαη κέζσ ηνπ ζεξβνκεραληζκνχ, φπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα 4.6. Ο πεξηνξηζκφο ζην ξπζκφ αιιαγήο είλαη πνιχ ζεκαληηθφο ηδίσο θαηά ηε δηάξθεηα ζθαικάησλ ζην δίθηπν. Ζ ζεκαζία ηνπ νθείιεηαη ζην γεγνλφο φηη απνθαζίδεη πφζν γξήγνξα κπνξεί λα κεησζεί ε αεξνδπλακηθή ελέξγεηα πξνθεηκέλνπ λα απνθεπρζεί ππεξηάρπλζε θαηά ηε δηάξθεηα ησλ ζθαικάησλ. Ο έιεγρνο ηεο γσλίαο βήκαηνο είλαη ελεξγφο κφλν φηαλ ε ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ ππεξβεί ηελ νλνκαζηηθή ηεο ηηκή. Δπεηδή ε ηαρχηεηα θαη ε ηζρχο ζπλδένληαη κέζσ ηνπ MPPT, απηφ έκκεζα ππαγνξεχεη φηη θαη ε ηζρχο πεξηνξίδεηαη ζηελ νλνκαζηηθή ηεο ηζρχ. Έηζη εθαξκφδεηαη έλα θέξδνο, ην νπνίν θαζνξίδεη ηνλ έιεγρν ηεο γσλίαο βήκαηνο, πξνθεηκέλνπ λα αληηζηαζκηζηνχλ ηα κε γξακκηθά αεξνδπλακηθά ραξαθηεξηζηηθά πνπ ππάξρνπλ [9,10]. Σν ζπλνιηθφ θέξδνο ηνπ ζπζηήκαηνο ζην βξφρν ειέγρνπ ηεο ηαρχηεηαο κπνξεί λα εθθξαζηεί απφ έλα αλαινγηθφ θέξδνο K PI dp ζηνλ PI ειεγθηή επί ηελ αεξνδπλακηθή επαηζζεζία ηνπ ζπζηήκαηνο d. Ζ αεξνδπλακηθή επαηζζεζία ηνπ ζπζηήκαηνο εμαξηάηαη απφ ηηο ζπλζήθεο ιεηηνπξγίαο Ζ ζρέζε επαηζζεζίαο κπνξεί λα πξνζεγγηζηεί κε κηα γξακκηθή αχμεζε ηεο γσλίαο βήκαηνο. Οπφηε, φζν πην επαίζζεην είλαη έλα ζχζηεκα, ην νπνίν βξίζθεηαη ζε πςειέο ηαρχηεηεο αλέκνπ θαη θαη επέθηαζε ζε κεγαιχηεξεο γσλίεο βήκαηνο β, ηφζν κηθξφηεξν ζα πξέπεη λα είλαη ην θέξδνο γηα ηνλ ειεγθηή θαη ην αλάπνδν. Σν ζπλνιηθφ θέξδνο γηα ην ζχζηεκα δηαηεξείηαη ζηαζεξφ κε αιιαγέο ηνπ K PI, ηέηνηεο ψζηε λα αληηζηαζκίδνληαη νη αιιαγέο ηεο αεξνδπλακηθήο επαηζζεζίαο dp απφ ηελ d αληίζηξνθε ζρέζε ηεο επαηζζεζίαο K 1 dp PI Kbasis, φπνπ Kbasis dp d 1. Οπφηε γηα ην K PI ηζρχεη φηη είλαη ην ζρεδηαζκέλν ζηαζεξφ θέξδνο ηνπ PI d ειεγθηή. Οη παξάκεηξνη ηνπ ειέγρνπ κπνξεί λα βξεζνχλ κε βάζε ηε κέζνδν Ziegler- Nichols [11]. Ωζηφζν, νη παξάκεηξνη κπνξνχλ λα βξεζνχλ θαη αλαιπηηθά [12]. 101

107 Δίλαη ζεκαληηθφ λα έρνπκε ππφςε καο φκσο φηη ν έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο έρεη ζρεηηθά αξγή απφθξηζε ζε ζρέζε ηδίσο κε ηπρφλ ζθάικαηα ζην δίθηπν πνπ κπνξεί λα πξνθαιέζνπλ ππεξηάρπλζε ζηηο γελλήηξηεο [10] Ο έιεγρνο ζε αλεκνγελλήηξηεο κε επαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο (DFIG) Σν γεληθφ ζρήκα κηαο ηέηνηνπ είδνπο αλεκνγελλήηξηα θαίλεηαη ζην ζρήκα 4.7 ρήκα 4.7 Γηάγξακκα Αλεκνγελλήηξηα κε επαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο [14] Όπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα, δχν είλαη ηα ζεκεία ζηα νπνία αζθείηαη έιεγρνο ζε κηα αλεκνγελλήηξηα απηνχ ηνπ είδνπο. Ο έιεγρνο ηεο γσλίαο βήκαηνο ζηα πηεξχγηα θαη ν έιεγρνο ζην κεηαηξνπέα. Ο έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο γίλεηαη κε ηνλ ηξφπν πνπ αλαιχζεθε ζην πξνεγνχκελν Κεθάιαην, ελψ ν έιεγρνο ζην κεηαηξνπέα ζα αλαιπζεί ζηε ζπλέρεηα. Ο έιεγρνο ηεο επαγσγηθήο γελλήηξηαο δηπιήο ηξνθνδνζίαο κπνξεί λα ρσξηζηεί ζε δχν κέξε, ζηνλ έιεγρν ζην κεηαηξνπέα απφ ηελ πιεπξά ηεο γελλήηξηαο θαη ζηνλ έιεγρν ζην κεηαηξνπέα απφ ηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ [13]. Ο κεηαηξνπέαο ζηε πιεπξά ηεο γελλήηξηαο παξέρεη κηα κεηαβιεηή ηάζε ζηνλ δξνκέα, ε νπνία εθαξκφδεηαη κέζσ ησλ d- θαη q- ζπληζησζψλ ηεο θαη ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηνλ αλεμάξηεην έιεγρν ηεο ελεξγνχ θαη αέξγνπ ηζρχνο. Ο έιεγρνο απηφο, ζηελ πιεπξά ηεο γελλήηξηαο κπνξεί ζρεκαηηθά λα θαλεί ζην ζρήκα

108 ρήκα 4.8 Γηάγξακκα ειέγρνπ ζηνλ κεηαηξνπέα ζηελ πιεπξά ηεο γελλήηξηαο κηαο DFIG [9] Όπσο θαίλεηαη θαη απφ ην ζρήκα, ππάξρνπλ δχν βξφρνη ειέγρνπ, έλαο γηα ηελ ελεξγφ ηζρχ θαη έλαο γηα ηελ άεξγν. Καη γηα ηηο δχν πεξηπηψζεηο, ν θάζε βξφρνο έρεη ζεηξηαθή δνκή (cascade), δειαδή απνηειείηαη απφ έλαλ γξεγνξφηεξν εζσηεξηθφ βξφρν κε PI ειεγθηέο γηα ην ξεχκα ηνπ δξνκέα θαη έλαλ εμσηεξηθφ πην αξγφ βξφρν γηα ηελ ελεξγφ θαη άεξγν ηζρχ αληίζηνηρα. Έλαο MPPT δίλεη ην ζήκα αλαθνξάο γηα ηελ ελεξγφ ηζρχ P Grid,ref, ελψ ζπλεζίδεηαη γηα ηελ άεξγν ηζρχ ε ηηκή ηεο αλαθνξάο Q Grid,ref λα ηίζεηαη ζην κεδέλ. χκθσλα κε ηελ ζεηξηαθή δνκή ησλ δχν PI ειεγθηψλ ν πην αξγφο βξφρνο ειέγρνπ ηεο ηζρχνο έρεη ζαλ έμνδν ηε ηηκή αλαθνξάο γηα ην ξεχκα ηνπ δξνκέα ην νπνίν ζηε ζπλέρεηα ρξεζηκνπνηείηαη απφ ηνπο ηαρχηεξνπο εζσηεξηθνχο βξφρνπο ειέγρνπ ηνπ ξεχκαηνο. θνπφο ηνπ ειέγρνπ ζην κεηαηξνπέα ζηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ είλαη θαη λα δηαηεξήζεη ηε ηάζε ζηε dc δηαζχλδεζε ζηαζεξή γηα θάζε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο ηεο κεραλήο, αιιά θαη λα εμαζθαιίζεη ηε ιεηηνπξγία κε κνλαδηαίν ζπληειεζηή ηζρχνο. ην ζρήκα 4.9 θαίλεηαη έλα δηάγξακκα ειέγρνπ ηνπ κεηαηξνπέα ζηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ γηα κία επαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο. Όπσο θαη ζηελ πεξίπησζε ηνπ ειέγρνπ ζηνλ κεηαηξνπέα ζηελ πιεπξά ηεο γελλήηξηαο, έηζη θαη εδψ ν κεηαηξνπέαο ειέγρεηαη κε PI ειεγθηέο ξεχκαηνο. Όπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα 4.9 γηα ηε ξχζκηζε ηεο ηάζεο ζηε dc δηαζχλδεζε ππάξρεη έλαο αξγφο εμσηεξηθφο βξφρνο θαη έλαο γξήγνξνο εζσηεξηθφο. ηνλ εμσηεξηθφ βξφρν γίλεηαη ζχγθξηζε αλάκεζα ζηελ κεηξνχκελε ηάζε ζηε dc δηαζχλδεζε V dc,meas θαη ηελ πξνθαζνξηζκέλε θαη επηζπκεηή ηηκή ηεο ηάζεο πνπ έρεη επηιεγεί V dc,ref. Ο αξγφο εμσηεξηθφο PI ειεγθηήο ζα δψζεη ζαλ απνηέιεζκα ηε ηηκή αλαθνξάο γηα ην ξεχκα ηνπ κεηαηξνπέα ην νπνίν ζα ζπγθξηζεί ζηνλ εζσηεξηθφ πην αξγφ βξφρν κε ην αληίζηνηρν κεηξνχκελν ξεχκα ζηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα. 103

109 ρήκα 4.9 Γηάγξακκα ειέγρνπ ζηνλ κεηαηξνπέα ζηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ κηαο DFIG [9] Με φκνην ηξφπν, ε άεξγνο ηζρχο ηνπ κεηαηξνπέα ζηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ νδεγείηαη ζην 0, πάιη κέζσ ηνπ ξεχκαηνο ηνπ κεηαηξνπέα κε έλαλ PI ειεγθηή. Απφ ηε δνκή ηνπ ειέγρνπ απηνχ κπνξνχκε λα παξαηεξήζνπκε φηη ε εθαξκνγή ηνπ γίλεηαη ζε ζχζηεκα αλαθνξάο θάζεησλ αμφλσλ d-q (αληί ηνπ ηξηθαζηθνχ), ηφζν ζηελ πιεπξά ηνπ δξνκέα ηεο γελλήηξηαο φζν θαη ζηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ. Σνχην απηφκαηα ζεκαίλεη γηα ηελ πξψηε πεξίπησζε φηη ε πινπνίεζε κπνξεί λα γίλεη κέζσ ηεο ηερληθήο ηνπ δηαλπζκαηηθνχ ειέγρνπ κε ηα γλσζηά πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηα ηεο [7]. Γηα ηε δεχηεξε πεξίπησζε επίζεο απαηηείηαη κεηαζρεκαηηζκφο ηνπ ηξηθαζηθνχ ζπζηήκαηνο απφ ηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ ζε πιαίζην αλαθνξάο θάζεησλ αμφλσλ. Γηα απηή ηελ πεξίπησζε επηιέγεηαη πιαίζην αλαθνξάο πνπ είλαη πξνζαλαηνιηζκέλν ζηε ηάζε [7], φπνπ ζεσξνχκε φηη ην δηάλπζκα ηεο ηάζεο έρεη κφλν d ζπληζηψζα. Έηζη είλαη επαξθέο λα νδεγεζεί ε q ζπληζηψζα ηνπ ξεχκαηνο ζην 0, πξνθεηκέλνπ λα κεδεληζζεί ε άεξγνο ηζρχο ζηνλ κεηαηξνπέα [9]. Γηα ην ιφγν απηφ βιέπνπκε ζην ζρήκα 4.9 φηη γηα ξχζκηζε ηνπ ζπληειεζηή ηζρχνο ζηε κνλάδα αξθεί έλαο κφλν PI ειεγθηήο. Θα κπνξνχζε φκσο αληίζηνηρα πξνο ηνπο άιινπο δηπινχο PI ειεγθηέο ζε ζεηξά, λα πξνεγεζεί έλαο αθφκα PI ειεγθηήο ηνπ νπνίνπ ε έμνδνο ζα έδηλε ην ξεχκα αλαθνξάο θαη ε είζνδφο ηνπ ζα ήηαλ ε δηαθνξά ηεο πξαγκαηηθήο (κεηξνχκελεο) αέξγνπ ηζρχνο Q απφ ηελ Q ref (θαη αληηζηνηρία πξνο ην ζρήκα 4.8 ηνπ ειέγρνπ ηεο ελεξγνχ ηζρχνο) ν ειεγθηήο απηφο θαίλεηαη ζην ζρήκα Απηφ ην ζρήκα ειέγρνπ απνδεηθλχεηαη ηδηαίηεξα ρξήζηκν γηα κε θαλνληθή ιεηηνπξγία φπσο ζα δνχκε ζηε ζπλέρεηα. 104

110 ρήκα 4.10 PI ειεγθηήο αέξγνπ ηζρχνο ζηελ πιεπξά ηνπ δηθηχνπ Όπσο αλαθέξζεθε θαη λσξίηεξα, ζηελ πεξίπησζε πνπ αλαιχεηαη εδψ, ε εχξεζε ηεο ηηκήο αλαθνξάο ηεο ελεξγνχ ηζρχνο γίλεηαη κέζσ ηεο κεζφδνπ MPPT. Έλαο άιινο ref ηξφπνο γηα λα γίλεη απηφ, είλαη κέζσ ηεο δηαθνξάο r r φπσο πεξηγξάθεηαη ζην ζρήκα 4.11 ζαλ ζπλέρεηα ηνπ ζρήκαηνο 4.4. ρήκα 4.11 ρήκα ειέγρνπ γηα ηελ εχξεζε ηεο ηηκήο αλαθνξάο ηεο ηζρχνο κε PI ειεγθηή [14]. Ο ειεγθηήο απηφο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί θαη ζηελ θαλνληθή θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο, αιιά ε ρξήζε ηνπ είλαη ηδηαίηεξα ζεκαληηθή θαηά ηε δηάξθεηα ζθαικάησλ. ηε δηάξθεηα ζθαικάησλ, ε αλαθνξά ηεο ελεξγνχ ηζρχνο grid P ref θαζνξίδεηαη σο ε έμνδνο ελφο ειεγθηή απφζβεζεο, ν νπνίνο έρεη ζαλ ζθνπφ λα απνζβέλεη ηηο ηαιαληψζεηο ηνπ κεραληθνχ κέξνπο πνπ εκθαλίδνληαη ιφγσ ηνπ ζθάικαηνο ζην δίθηπν. Όηαλ εληνπίδεηαη έλα ζθάικα, γίλεηαη κεηάβαζε απφ ηελ θαλνληθή ιεηηνπξγία κε ηνλ MPPT ειεγθηή (αλ απηφο ρξεζηκνπνηείηαη), ζηελ ιεηηνπξγία ππφ ζθάικα κε ηνλ PI ειεγθηή ηνπ ζρήκαηνο ηελ πεξίπησζε απηή, ν PI ειεγθηήο απφζβεζεο παξάγεη ην ζήκα ηεο ηηκήο αλαθνξάο ηεο ελεξγνχ ηζρχνο, απφ ηε δηαθνξά κεηαμχ ηεο πξαγκαηηθήο ηαρχηεηαο ηεο γελλήηξηαο θαη ηεο αλαθνξάο ηεο, ην νπνίν ζα νδεγεζεί ζηε ζπλέρεηα ζαλ είζνδνο ζηνλ ειεγθηή ηνπ κεηαηξνπέα ζηελ πιεπξά ηεο γελλήηξηαο φπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα 4.8. Ζ ηηκή αλαθνξάο ηεο ηαρχηεηαο θαζνξίδεηαη απφ ηε βέιηηζηε θακπχιε ηεο ηαρχηεηαο γηα ηνλ εηζεξρφκελν άλεκν κε δεδνκέλν φηη ε ηαρχηεηα ηνπ αέξα ζεσξείηαη γλσζηή (κεηξήζηκε). Ο ειεγθηήο απφζβεζεο είλαη ξπζκηζκέλνο λα απνζβέλεη ελεξγά ηηο ηαιαληψζεηο πνπ εκθαλίδνληαη ζην ζχζηεκα εμαηηίαο ζθαικάησλ ζην δίθηπν. Άιιεο αλαιχζεηο [16] δείρλνπλ φηη απνπζία ή αλεπαξθήο ξχζκηζε απηνχ ηνπ PI ειεγθηή κπνξεί λα νδεγήζεη ζε δηαθνπή ιεηηνπξγίαο (tripping) γηα ιφγνπο πξνζηαζίαο ηνπ κεραληθνχ ζπζηήκαηνο απφ ηηο ηαιαληψζεηο. 105

111 Σν ζχζηεκα ηνπ ειέγρνπ γσλίαο βήκαηνο δελ κπνξεί λα απνζβέζεη ηηο κεραληθέο ηαιαληψζεηο ιφγσ ηνπ αξγνχ ρξφλνπ απφζβεζεο πνπ έρεη [17]. Ο έιεγρνο γσλίαο βήκαηνο απνζβέλεη ηηο δηαθπκάλζεηο ζηε ηαρχηεηα ηεο γελλήηξηαο πνπ έρνπλ αξγή ζπρλφηεηα, ελψ ν ειεγθηήο ηνπ ζρήκαηνο 4.11 κπνξεί λα απνζβέζεη θαη ηηο γξήγνξεο ηαιαληψζεηο ζηελ ηαρχηεηα ηεο. Ο ειεγθηήο ξπζκίδεηαη κε ηελ εθαξκνγή βεκαηηθψλ εηζφδσλ ζην ζήκα αλαθνξάο ηνπ, φπσο εμεγείηαη ζηα [9,12]. Πξνζνκνηψζεηο έρνπλ δείμεη [14] φηη ν έιεγρνο ηεο γσλίαο βήκαηνο θαηά ηε δηάξθεηα θάπνηνπ ζθάικαηνο είλαη ιηγφηεξν ελεξγφο φηαλ ρξεζηκνπνηείηαη θαη ν PI ειεγθηήο απφζβεζεο. Ζ ρξήζε απηνχ ηνπ ειεγθηή έρεη ζεηηθή ζπκβνιή, ζπκπιεξσκαηηθή ζηνλ έιεγρν γσλίαο βήκαηνο. Σν γεγνλφο απηφ ζεκαίλεη ηαπηφρξνλα θαη πην ζηαζεξή αεξνδπλακηθή ηζρχ, αιιά θαη ιηγφηεξε θαηαπφλεζε ηνπ ζπζηήκαηνο ειέγρνπ γσλίαο βήκαηνο. πκπεξαζκαηηθά, ινηπφλ, ε παξνπζία ειεγθηή απφζβεζεο είλαη πνιχ ζεκαληηθή γηα ηελ ειαρηζηνπνίεζε ηεο επηξξνήο ηνπ ζθάικαηνο ηνπ δηθηχνπ θαη ζην κεραληθφ, αιιά θαη ζην ειεθηξηθφ κέξνο ηεο αλεκνγελλήηξηαο. Ζ ρξήζε ειεγρφκελνπ κεηαηξνπέα ζην δξνκέα ηεο γελλήηξηαο θάλεη ηηο αλεκνγελλήηξηεο κε επαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο ειθπζηηθέο απφ νηθνλνκηθήο πιεπξάο. Ωζηφζν φκσο, ε ηνπνινγία απηή ηνπ κεηαηξνπέα απαηηεί ζχζηεκα πξνεγκέλεο πξνζηαζίαο, κηαο θαη είλαη πνιχ επαίζζεην ζε δηαηαξαρέο ηνπ δηθηχνπ. Σν πξφβιεκα πνπ δεκηνπξγείηαη φηαλ δελ ππάξρεη ζχζηεκα πξνζηαζίαο είλαη φηη κεγάιεο δηαηαξαρέο νδεγνχλ ζε κεγάια ξεχκαηα ζθαικάησλ ζην ζηάηε, εμαηηίαο ηεο απεπζείαο ζχλδεζεο ηνπ ζηάηε ζην δίθηπν. Λφγσ ηεο καγλεηηθήο ζχδεπμεο κεηαμχ ηνπ ζηάηε θαη ηνπ δξνκέα θαη ησλ λφκσλ δηαηήξεζεο ηεο ξνήο, ε δηαηαξαρή ζην ζηάηε κεηαδίδεηαη ζην δξνκέα. Σν απνηέιεζκα φισλ απηψλ, είλαη ε χπαξμε κεγάισλ ξεπκάησλ θαη ηάζεσλ ζην δξνκέα θαηά ηε δηάξθεηα θάπνηνπ ζθάικαηνο. Δπηπιένλ, ε θπκάησζε πνπ αθνινπζεί ην ζθάικα πεξηιακβάλεη ηε κεηαθνξά ηζρχνο απφ ην δξνκέα ζηνλ κεηαηξνπέα. Μηαο θαη ν ιφγνο ηνπ ζηάηε πξνο ην δξνκέα κηαο επαγσγηθήο γελλήηξηαο δηπιήο ηξνθνδνζίαο ζρεδηάδεηαη ζχκθσλα κε ην επηζπκεηφ εχξνο κεηαβιεηήο ηαρχηεηαο, ζε πεξίπησζε ζθαικάησλ ζην δίθηπν κπνξεί λα κελ είλαη εθηθηφ λα επηηεπρζεί ε επηζπκεηή ηάζε ηνπ δξνκέα πξνθεηκέλνπ λα ειεγρζνχλ ηα κεγάια ξεχκαηά ηνπ. Απηφ ζεκαίλεη φηη ν κεηαηξνπέαο θηάλεη γξήγνξα ζηα φξηα ηνπ κε ζπλέπεηα λα ράλεηαη ν έιεγρνο ηεο γελλήηξηαο θαηά ηε δηάξθεηα ζθαικάησλ ηνπ δηθηχνπ. Καζψο πέθηεη ε ηάζε, θαηά ηε ρξνληθή ζηηγκή ηνπ ζθάικαηνο, ν αληηζηξνθέαο δελ κπνξεί λα κεηαθέξεη απφ ηνλ αλνξζσηή ηελ ηζρχ ζην δίθηπν κε απνηέιεζκα ε επηπιένλ ηζρχο λα θνξηίδεη ηνλ ππθλσηή ηεο dc-δηαζχλδεζεο θαη έηζη ε ηάζε εθεί λα απμάλεηαη πνιχ γξήγνξα [15]. Δίλαη νπφηε απαξαίηεηε ε πξνζηαζία ηνπ κεηαηξνπέα ελάληηα ζε ππεξξεχκαηα θαη ζε ππεξηάζεηο ζην δξνκέα θαη ζηε dc-δηαζχλδεζε. Σν ζχζηεκα πξνζηαζίαο ζπλήζσο παξαθνινπζεί δηαθνξεηηθά ζήκαηα, φπσο ην ξεχκα ηνπ δξνκέα ή ηελ ηάζε ζηε dcδηαζχλδεζε, θαη φηαλ ηνπιάρηζηνλ έλα απφ απηά ηα ζήκαηα ππεξβεί ηηο ξπζκίζεηο πξνζηαζίαο, απηή ελεξγνπνηείηαη. Μηα απιή κέζνδνο πξνζηαζίαο ηεο επαγσγηθήο γελλήηξηαο δηπιήο ηξνθνδνζίαο πνπ βξίζθεηαη ππφ ζθάικα ζην δίθηπν, είλαη λα ζπλδέζνπκε ζην δξνκέα ζχζηεκα βξαρπθχθισζεο κεηαβιεηήο αληίζηαζεο (γλσζηφ σο crowbar). Ζ πξνζηαζία κε crowbar είλαη νπζηαζηηθά κηα εμσηεξηθή ζχλζεηε αληίζηαζε ζην δξνκέα ε νπνία 106

112 ζπλδέεηαη κέζσ ησλ δαθηπιίσλ νιίζζεζεο ηνπ δξνκέα ηεο γελλήηξηαο αληί γηα ηνλ κεηαηξνπέα, φπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα 4.7. Ζ ηηκή ηεο αληίζηαζεο ηνπ crowbar εμαξηάηαη απφ ηα δεδνκέλα ηεο γελλήηξηαο θαη επνκέλσο ζε πεξίπησζε κηαο άιιεο γελλήηξηαο ζα πξέπεη λα επηιεγεί κηα λέα ηηκή γηα ηελ αληίζηαζε απηή [8]. Ζ δνπιεηά ηνπ crowbar είλαη λα πεξηνξίδεη ην ξεχκα ηνπ δξνκέα. Όηαλ ελεξγνπνηείηαη ην crowbar, ν αλνξζσηήο απελεξγνπνηείηαη θαη παξαθάκπηεηαη, θαη θαη επέθηαζε ν αλεμάξηεηνο έιεγρνο ηεο ελεξγνχ θαη αέξγνπ ηζρχνο ράλεηαη. Ζ καγλήηηζε ηεο γελλήηξηαο ζε απηή ηελ πεξίπησζε γίλεηαη κέζσ ηνπ ζηάηε αληί λα γίλεηαη απφ ην θχθισκα ηνπ δξνκέα κέζσ ηνπ αλνξζσηή. Δδψ ζεκεηψλνπκε φηη αληίζεηα κε φηη ζπκβαίλεη ζηνλ αλνξζσηή, επεηδή ν αληηζηξνθέαο δελ ζπλδέεηαη απεπζείαο ζηα ηπιίγκαηα ηεο γελλήηξηαο, φπνπ ππάξρνπλ ηα κεγάια κεηαβαηηθά ξεχκαηα, απηφο ν κεηαηξνπέαο δελ ρξεηάδεηαη ηδηαίηεξε πξνζηαζία. Σν crowbar κπνξεί λα απνζπλδεζεί χζηεξα απφ θάπνην πξνθαζνξηζκέλν ρξφλν ή φηαλ πιεξνχληαη θάπνηα επηπξφζζεηα θξηηήξηα, φπσο ην κέηξν ηεο ηάζεο ηνπ δηθηχνπ. Όηαλ γίλεη ε απνζχλδεζε ηνπ crowbar, γίλεηαη άκεζε κεηάβαζε ιεηηνπξγίαο ζηνλ αλνξζσηή θαη ην ζχζηεκα ηνπ δηπινχ κεηαηξνπέα αλαιακβάλεη πάιη ηνλ αλεμάξηεην έιεγρν ηεο ελεξγνχ θαη αέξγνπ ηζρχνο. ην ζρήκα 4.12 δίλνληαη νη ζηαηηθέο θακπχιεο γηα ηελ ξνπή θαη ηελ άεξγν ηζρχ ζαλ ζπλάξηεζε ηεο ηαρχηεηαο γηα δηαθνξεηηθέο ηηκέο αληίζηαζεο ζην crowbar, γηα κηα επαγσγηθή γελλήηξηα δηπιήο ηξνθνδνζίαο ηζρχνο 2 MW. Παξαηεξνχκε θαη γηα ηηο δχν πεξηπηψζεηο φηη φζν απμάλεηαη ε αληίζηαζε ηφζν ε θνξπθή ζην κέγηζην ηεο ξνπήο θαη ηεο αέξγνπ ηζρχνο ακβιχλεηαη κε απηήλ ηεο ξνπήο λα κεηαηνπίδεηαη πξνο απφιπηα κεγαιχηεξεο ηηκέο νιίζζεζεο. ρήκα 4.12 Κακπχιεο ηεο ξνπήο θαη ηεο αέξγνπ ηζρχνο ζε ζρέζε κε ηελ ηαρχηεηα γηα δηαθνξεηηθέο ηηκέο αληίζηαζεο ηνπ crowbar κηαο DFIG Έλα άιιν δήηεκα ζηε ιεηηνπξγία ησλ αλεκνγελλεηξηψλ είλαη απηφ ηεο δπλαηφηεηαο αδηάιεηπηεο ιεηηνπξγίαο ππφ κεησκέλε ηάζε ή ζθάικα (fault ride through). Οη ηερληθέο πξνδηαγξαθέο πνπ ζέηεη ν δηαρεηξηζηήο ηνπ ειεθηξηθνχ ζπζηήκαηνο απαηηνχλ νη αλεκνγελλήηξηεο λα παξακέλνπλ ζπλδεδεκέλεο ζην δίθηπν θαηά ηε δηάξθεηα θάπνηνπ ζθάικαηνο θαη πηψζεο ηεο ηάζεο. Σφηε νη αλεκνγελλήηξηεο πξέπεη λα ζπκπεξηθεξζνχλ ζαλ ελεξγά ζηνηρεία [18] θαη επνκέλσο λα ζηεξίμνπλ ην δίθηπν. Ζ δπλαηφηεηα ζηήξημεο ηεο ηάζεο ηνπ δηθηχνπ κηαο επαγσγηθήο γελλήηξηαο δηπιήο 107