ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Της φοιτήτριας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Τσουραπά Στεφανίας ΑΜ 6654.

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Της φοιτήτριας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Τσουραπά Στεφανίας ΑΜ 6654 Θέμα Ανάλυση και έλεγχος μετατροπέων ισχύος 3Φ AC/DC για χρήση σε συστήματα ΑΠΕ Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής εργασίας Πάτρα Ιούνιος

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με Θέμα: «Ανάλυση και έλεγχος μετατροπέων ισχύος 3Φ AC/DC για χρήση σε συστήματα ΑΠΕ» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Τσουραπά Στεφανίας Με Αριθμό Μητρώου : 6654 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις: / /20. Ο Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής 3

4 4

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το ενεργειακό πρόβλημα Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Τα κύρια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των Α.Π.Ε Μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Αιολική ενέργεια Ηλιακή ενέργεια Ενέργεια από Βιομάζα Γεωθερμική ενέργεια Υδροηλεκτρική ενέργεια Ενέργεια από τη θάλασσα...23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΥΠΕΡΑΚΤΙΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ Υπεράκτια αιολικά πάρκα Υπεράκτια αιολικά πάρκα και αγορά Υπεράκτια πάρκα σε βαθύτερα νερά με μεγαλύτερες γεννήτριες Προοπτικές της αγοράς Εκτίμηση δυναμικού Εισαγωγή των σχεδίων για τα βαθιά υπεράκτια πάρκα Τεχνολογία Τεχνική υποδομή και προκλήσεις Μοντελοποίηση και αριθμητικά εργαλεία Βελτιστοποιημένες ανεμογεννήτριες για πλωτές δομές στήριξης Σύνδεση με το δίκτυο Εγκατάσταση, λειτουργία και συντήρηση Εκτίμηση του κόστους για τα σχέδια της βαθιάς θάλασσας Σταθερότητα και σαφήνεια του νομοθετικού πλαισίου Θαλάσσια χωροταξία Προκλήσεις για εμπορευματοποίηση Τεχνολογική αντίληψη του κινδύνου Τυποποίηση και συνεργασία ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Άνεμος Η κατανομή ταχύτητας του ανέμου Η ισχύς του ανέμου Μοντελοποίηση ιδανικού κιβωτίου ταχυτήτων Ανεμογεννήτριες Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα Δομή των ανεμογεννητριών Κυριότεροι τύποι ανεμογεννητριών Γεννήτριες Σύγχρονη Γεννήτρια Σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG) Ασύγχρονη Επαγωγική Γεννήτρια Επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) Επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα(wrig) 72 5

6 Επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα (OSIG) Επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG) Μηχανικός έλεγχος ισχύος στον ανεμοκινητήρα Έλεγχος μέσω παθητικής απώλειας στήριξης Έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίου (pitch control) Ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης Ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος για αιολικά συστήματα Ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής (soft starter) Συστοιχία πυκνωτών Μετατροπείς ισχύος ac-dc ανορθωτές και αντιστροφείς 78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΩΝ ΑΠΟ ΤΑΣΗ Εισαγωγή Ελεγκτής πραγματικής-άεργου ισχύος Αναπαράσταση στο χώρο των φασόρων στον d-q άξονα Δυναμικό μοντέλο του ελεγκτή Ο μηχανισμός συγχρονισμού PLL Μοντέλο και βρόχος ελέγχου του PLL Παραγωγή σημάτων αναφοράς για τον ελεγκτή ενεργού άεργου ισχύος Διαγράμματα και βρόγχοι ελέγχου του VSC μετατροπέα Επιλογή του επιπέδου της DC τάσης Διάγραμμα εξισορρόπησης τάσης Ο ελεγκτής της DC διασύνδεσης Το μοντέλο του ελεγκτή της DC διασύνδεσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ TΟ BACK-TO-BACK HVDC ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΣΧΥΟΣ Το Back-to-back VSC-HVDC Σύστημα Το μοντέλο του εναλλασσομένου δικτύου και των μετασχηματιστών Το μοντέλο του συστήματος των Back-to-back μετατροπέων Ο Έλεγχος του back-to-back HVDC συστήματος Το σχήμα ελέγχου με PI ελεγκτές Δημιουργία Σημάτων Αναφοράς Το back-to-back-hvdc σύστημα με σειρά συνδεδεμένο φορτίο ανά φάση..114 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Ανάλυση του μοντέλου του συστήματος Ο μετασχηματισμός Park Ο μετασχηματισμός Park στο χώρο κατάστασης Το μοντέλο της ασύγχρονης επαγωγικής μηχανής διπλής τροφοδοσίας Έλεγχος επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας Προσδιορισμός των κερδών των PI ελεγκτών ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Τα χαρακτηριστικά του συστήματος Προσομοιώσεις Γραφικές Συμπεράσματα

7 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες σε όλους όσους βοήθησαν στην ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας και συνέβαλαν στο τελικό αποτέλεσμα. Ειδικότερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Αλεξανδρίδη Αντώνιο για την πολύτιμη βοήθεια και καθοδήγηση που μου παρείχε καθώς και για το ενδιαφέρον που επέδειξε κατά τη διάρκεια της συνεργασίας μας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω το διδακτορικό φοιτητή Μπουρδούλη Μιχάλη, του οποίου η βοήθεια υπήρξε καθοριστική για την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την οικογένειά μου για τη στήριξη που μου προσέφερε όλα αυτά τα χρόνια. 7

8 8

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Περιβαλλοντικοι κυρίως λόγοι, έχουν επιβάλλει τα τελευταία χρόνια μια μεγάλη αύξηση στον αριθμό των εγκατεστημένων ανεμογεννητριών παγκόσμια. Παράλληλα, έχει σημαντικά εξελιχθεί και η τεχνολογία που αφορά στα αιολικά συστήματα είτε πρόκειται για μεμονωμένες ανεμογεννήτριες είτε για μικρά ή μεγάλα αιολικά πάρκα. Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως θέμα τον έλεγχο και τη μελέτη της διάταξης μιας ανεμογεννήτριας που είναι αναγκαία για την κατασκευή ενός υπεράκτιου αιολικού πάρκου και για τη διασύνδεση του στο δίκτυο μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας.η διάταξη αυτή αποτελείται από μια επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και ενός συστήματος μεταφοράς ισχύος με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος (HVDC). Την διασύνδεση συνεχούς ρέματος πραγματοποιούν δυο back-to-back AC/DC μετατροπείς VSC, που αναλαμβάνουν τους ρόλους του ανορθωτή και του αντίστροφα ισχύος. Αρχικά μελετάται θεωρητικά το μοντέλο των μετατροπέων και του back-to-back HVDC συστήματος και στην συνέχεια σχεδιάζεται και αναλύεται η λειτουργία του. Τέλος προσομοιώνεται το σύστημα μέσω του λογισμικού Matlab και συγκεκριμένα της εφαρμογής Simulink για την εξαγωγή συμπερασμάτων. ABSTRACT In recent years, environmental reasons mainly have generated a remarkable increase in the number of the installed wind turbines on a worldwide scale. The technology related to the wind systems has significantly evolved whether it concerns itself with individual wind turbines or with small or large wind farms. This thesis focuses on the control and study of the layout of a wind turbine that is necessary for the construction of an offshore wind farm as well as for its connection with the electricity transmission and distribution network. This layout consists of a doubly fed induction generator (DFIG) and a high voltage direct current (HVDC). The direct current connection is achieved through back-to-back AC/DC converters VSC which assume the role of rectifier and that of inverter of power. Initially, the theoretical model of the inverters and the back-to-back HVDC system is studied and then its function is designed and analyzed. Finally, the system is simulated via the Matlab software and in particular the Simulink application to draw conclusions. 9

10 10

11 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα ασχοληθούμε με ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μια επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και ένα HVDC σύστημα που παραδοσιακά χρησιμοποιείται για την μεταφορά ισχύος σε μεγάλες ποσότητες σε μεγάλες αποστάσεις, ενώ πολλές φορές χρησιμοποιείται και σε εφαρμογές ελέγχου. Μέσω μετασχηματισμού Park θα προκύψουν οι μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις που διέπουν το πλήρες μοντέλο στο d-q σύστημα κάθετων αξόνων. Στη συνέχεια θα γίνει η επιλογή των κερδών των PI ελεγκτών και έπειτα από την προσομοίωση του συστήματος με το Simulink του MATLAB θα γίνει η σύγκριση των αποκρίσεων με τις δύο στρατηγικές ελέγχου. Στο πρώτο κεφάλαιο, θα αναφερθούμε στο ενεργειακό πρόβλημα και στο πώς αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί μέσω της αξιοποίησης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ακολουθεί μια παρουσίαση των ειδών των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο θα μελετήσουμε την κατασκευή ενός υπεράκτυου αιολικού πάρκου (offshore wind farm) που χωρίζεται σε διάφορα στάδια επεξεργασίας. Τα βασικά σημεία μελέτης είναι τρία η τοποθεσία που θα χρησιμοποιηθεί, τα μηχανήματα που θα εγκατασταθούν και το συνολικό κόστος κατασκευής. Στο τρίτο κεφάλαιο θα εστιάσουμε στην αιολική ενέργεια και την εκμετάλλευσή της. Θα γίνει παρουσίαση της δομής μιας ανεμογεννήτριας καθώς και των διαφόρων κατηγοριών των ανεμογεννητριών. Τέλος θα γίνει μια αναφορά στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος καθώς και μια σύντομη σύγκριση των μεθόδων ελέγχου ισχύος. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται και αναλύεται εκτενώς το μαθηματικό μοντέλο του VSC μετατροπέα όταν εφαρμόζεται σε ένα ισχυρό δίκτυο, δηλαδή όταν χρησιμοποιείται ως ελεγκτής ενεργού/άεργου ισχύος και ως ελεγκτής της DC διασύνδεσης και της άεργου ισχύος. Μελετώνται διαφορές στρατηγικές ελέγχου, καταστρώνεται το πλήρες μαθηματικό μοντέλο ελέγχου, παρουσιάζονται όλα τα επιμέρους μέρη του συστήματος ελέγχου και σχεδιάζονται οι PI ελεγκτές με τους οποίους υλοποιείται ο έλεγχος. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται και αναλύεται το μοντέλο του συστήματος που θέλουμε να μελετήσουμε δηλαδή του back-to back HVDC συστήματος. Με βάση την ανάλυση του κεφαλαίου 4, καταστρώνεται το συνολικό μοντέλο ελέγχου και σχεδιάζονται οι PI ελεγκτές που θα χρησιμοποιήσουμε στην προσομοίωση. Στο έκτο κεφάλαιο αναλύεται και μελετάται το συνολικό και τελικό σύστημα που αποτελείται από το μοντέλο της ασύγχρονης επαγωγικής μηχανής διπλής τροφοδοσίας και και του συστήματος μεταφοράς ισχύος με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος (HVDC) στο δίκτυο. Θα παρουσιάσουμε το μετασχηματισμό Park, ο οποίος επιτρέπει την ευκολότερη ανάλυση και ανάπτυξη των μεθόδων ελέγχου. Έτσι, θα υπολογίσουμε τις μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις που διέπουν το σύστημα στο d- q στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων. Και τέλος θα εφαρμόσουμε κατάλληλο μετασχηματισμό εισόδου ώστε να καταλήξουμε σε γραμμικές διαφορικές εξισώσεις και θα υπολογίσουμε τα κέρδη των PI ελεγκτών. Στο έβδομο κεφάλαιο θα παραθέσουμε τις παραμέτρους του συστήματος καθώς και τα αριθμητικά κέρδη των PI ελεγκτών που θα χρησιμοποιηθούν στην προσομοίωση μέσω του Simulink του MATLAB. 11

12 12

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 Το ενεργειακό πρόβλημα Το ενεργειακό πρόβλημα στις μέρες μας εμφανίζεται οξύτερο από ποτέ. Τι όμως είναι το ενεργειακό πρόβλημα; Μπορούμε να πούμε ότι η ουσία του ενεργειακού προβλήματος βρίσκεται στην συσχέτιση των ενεργειακών αποθεμάτων που διαρκώς μειώνονται με τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας που διαρκώς αυξάνονται. Είναι αρκετά εύκολο να κατανοήσουμε τι σημαίνει αύξηση της ενέργειας που καταναλώνεται αν αναλογιστούμε το πλήθος των ηλεκτρικών συσκευών που έχουμε σήμερα στο σπίτι μας σε σχέση με τις συσκευές που είχαμε, ας πούμε, πριν 50 χρόνια, ή τον αριθμό των αυτοκινήτων που κυκλοφορούν τώρα στους δρόμους σε σχέση με τότε. Στο ίδιο συμπέρασμα θα καταλήξουμε αν παρατηρήσουμε τις ενεργοβόρες εγκαταστάσεις ενός σύγχρονου κτιρίου (πχ νοσοκομείου με κεντρική εγκατάσταση κλιματισμού, δίκτυο υπολογιστών, ιατρικό εξοπλισμό) και τις συγκρίνουμε με ένα ανάλογο κτίριο που κατασκευάστηκε πριν μερικές δεκαετίες. Υπολογίζεται ότι ο πρωτόγονος άνθρωπος χρησιμοποιούσε για τις ανάγκες του ενέργεια ίση με 6,3 MJ την ημέρα που έπαιρνε μέσω της τροφής του. Ο σημερινός άνθρωπος χρησιμοποιεί περίπου 1000 MJ δηλαδή 150 φορές περισσότερη. 13

14 1.2 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) Τα ολοένα αυξανόμενα περιβαλλοντικά προβλήματα και η μείωση των αποθεμάτων των φυσικών πόρων, που χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικούς σταθμούς οδήγησαν στην αναγκαιότητα διερεύνησης εναλλακτικών δυνατοτήτων ηλεκτροπαραγωγής. Μέχρι σήμερα, το φυσικό αέριο και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας παρουσιάζονται ως οι πλέον χρησιμοποιούμενες λύσεις. Με τον όρο Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας ή Ήπιες ή Εναλλακτικές Πηγές Ενέργειας εννοούμε τις μορφές εκείνες της ενέργειας που προέρχονται από φυσικές διαδικασίες όπως ο άνεμος, η γεωθερμία, η κυκλοφορία του νερού και άλλες και συνιστούν μια φιλική προς το περιβάλλον εκμετάλλευση ενέργειας. Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και επηρεάζονται μόνο από τις εκάστοτε καιρικές συνθήκες. Ο όρος «ήπιες» αναφέρεται σε δυο βασικά χαρακτηριστικά τους. Καταρχάς, για την εκμετάλλευσή τους δεν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέμβαση, όπως εξόρυξη, άντληση ή καύση, όπως με τις μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας, αλλά απλώς η εκμετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ροής ενέργειας στη φύση. Δεύτερον, πρόκειται για «καθαρές» μορφές ενέργειας, που δεν αποδεσμεύουν υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα ή άλλα τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα. Το ενδιαφέρον για τις ήπιες μορφές ενέργειας ανακινήθηκε τη δεκαετία του 1970, ως αποτέλεσμα κυρίως των απανωτών πετρελαϊκών κρίσεων της εποχής, αλλά και της αλλοίωσης του περιβάλλοντος και της ποιότητας ζωής από τη χρήση κλασικών πηγών ενέργειας. Ιδιαίτερα ακριβές στην αρχή, ξεκίνησαν σαν πειραματικές εφαρμογές. Σήμερα όμως λαμβάνονται υπόψη στους επίσημους σχεδιασμούς των ανεπτυγμένων κρατών για την ενέργεια και, αν και αποτελούν πολύ μικρό ποσοστό της ενεργειακής παραγωγής, ετοιμάζονται βήματα για παραπέρα αξιοποίησή τους. Το κόστος δε των εφαρμογών ήπιων μορφών ενέργειας πέφτει συνέχεια τα τελευταία είκοσι χρόνια και ειδικά η αιολική και υδροηλεκτρική ενέργεια, αλλά και η βιομάζα, μπορούν πλέον να ανταγωνίζονται στα ίσα παραδοσιακές πηγές ενέργειας όπως ο άνθρακας και η πυρηνική ενέργεια. 14

15 Ενδεικτικά, στις Η.Π.Α. ένα 6% της ενέργειας προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές, ενώ στην Ευρωπαϊκή Ένωση το 2010 το 25% της ενέργειας θα προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές (κυρίως υδροηλεκτρικά και βιομάζα) Τα κύρια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των Α.Π.Ε Τα κύρια πλεονεκτήματα των Α.Π.Ε είναι τα εξής Δεν πρόκειται να εξαντληθούν ποτέ, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα. Μπορούν να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών, καθώς και να αποτελέσουν την εναλλακτική πρόταση σε σχέση με την οικονομία του πετρελαίου. Είναι ευέλικτες εφαρμογές, που μπορούν να παράγουν ενέργεια ανάλογη με τις ανάγκες του επί τόπου πληθυσμού, καταργώντας την ανάγκη για τεράστιες μονάδες παραγωγής ενέργειας (καταρχήν για την ύπαιθρο) αλλά και για μεταφορά της ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Δίνουν τη δυνατότητα επιλογής της κατάλληλης μορφής ενέργειας που είναι προσαρμοσμένη στις ανάγκες του χρήστη (π.χ. ηλιακή ενέργεια για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών έως αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή), επιτυγχάνοντας πιο ορθολογική χρησιμοποίηση των ενεργειακών πόρων. Ο εξοπλισμός είναι απλός στην κατασκευή και τη συντήρηση και έχει πολύ μεγάλο χρόνο ζωής. Οι επενδύσεις των ΑΠΕ δημιουργούν πολλές θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο και επιδοτούνται από τις περισσότερες κυβερνήσεις. Είναι πολύ φιλικές προς το περιβάλλον, έχοντας ουσιαστικά μηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα. Εκτός από τα παραπάνω πλεονεκτήματα οι ΑΠΕ παρουσιάζουν και ορισμένα χαρακτηριστικά που δυσχεραίνουν την αξιοποίηση και ταχεία ανάπτυξή τους: Έχουν αρκετά μικρό συντελεστή απόδοσης, της τάξης του 30% ή και χαμηλότερο. Συνεπώς απαιτείται αρκετά μεγάλο αρχικό κόστος εφαρμογής σε μεγάλη επιφάνεια της γης. Γι' αυτό το λόγο μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται ως συμπληρωματικές πηγές ενέργειας. Για τον παραπάνω λόγο προς το παρόν δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων. 15

16 Η παροχή και απόδοση της αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους, αλλά και από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. Για τις αιολικές μηχανές υπάρχει η άποψη ότι δεν είναι κομψές από αισθητική άποψη κι ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πουλιών. Με την εξέλιξη όμως της τεχνολογίας τους και την προσεκτικότερη επιλογή χώρων εγκατάστασης (π.χ. σε πλατφόρμες στην ανοιχτή θάλασσα) αυτά τα προβλήματα έχουν σχεδόν λυθεί. Για τα υδροηλεκτρικά έργα λέγεται ότι προκαλούν έκλυση μεθανίου από την αποσύνθεση των φυτών που βρίσκονται κάτω από το νερό κι έτσι συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. 1.3 Μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Αιολική ενέργεια Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, μια καθαρή ήπια μορφή ενέργειας, η οποία δεν μολύνει το περιβάλλον και δεν συμβάλει όπως άλλες συμβατικές πηγές με τα καυσαέρια στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Επιπρόσθετα είναι μια ανεξάντλητη μορφή ενέργειας. Η αιολική ενέργεια δημιουργείται έμμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία, καθώς η ανομοιόμορφη θέρμανση της επιφάνειας της γης προκαλεί τη μετακίνηση μεγάλων αέριων μαζών από τη μια περιοχή στην άλλη, δημιουργώντας έτσι τους ανέμους. Αν υπήρχε η τεχνολογική δυνατότητα να καταστεί εκμεταλλεύσιμο το συνολικό αιολικό δυναμικό της γης, εκτιμάται ότι η παραγόμενη σε ένα χρόνο ηλεκτρική ενέργεια θα ήταν υπερδιπλάσια από τις ανάγκες της ανθρωπότητας στο ίδιο χρονικό διάστημα. Υπολογίζεται ότι στο 25% της επιφάνειας της γης και σε ύψος 10 m πάνω από το έδαφος επικρατούν άνεμοι μέσης ετήσιας ταχύτητας που ξεπερνά τα 5.1 m/ sec. Σύμφωνα με τα σημερινά δεδομένα, όταν η μέση ετήσια ταχύτητα του ανέμου ξεπερνά αυτήν την τιμή το αιολικό δυναμικό ενός τόπου θεωρείται ενεργειακά εκμεταλλεύσιμο και οι απαιτούμενες εγκαταστάσεις μπορούν να καταστούν οικονομικά βιώσιμες. 16

17 1.3.2 Ηλιακή ενέργεια Ως γνωστόν, η μεγαλύτερη ενεργειακή είσοδος πάνω στη γη είναι η ηλιακή ακτινοβολία και συγχρόνως πρόκειται να συνεχιστεί με τον ίδιο ρυθμό για δισεκατομμύρια χρόνια στο μέλλον είναι δηλαδή ανανεώσιμη. Η μέση προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια στην επιφάνεια της γης είναι περίπου 600 W/m 2, αλλά η πραγματική της τιμή εξαρτάται πολύ από τη γεωγραφική θέση της περιοχής. Έχει το πλεονέκτημα ότι δεν έχει κόστος είναι ανεξάντλητη και δεν μολύνει το περιβάλλον, αλλά έχει το μειονέκτημα ότι έχει μικρή ένταση ανά μονάδα επιφάνειας, είναι διαθέσιμη μόνο ένα μέρος της ημέρας και εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες. Οι προηγούμενοι λόγοι καθιστούν την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας δύσκολο τεχνολογικά πρόβλημα. Όσον αφορά την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, θα μπορούσαμε να πούμε ότι χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα ή Ηλιοθερμικά συστήματα, και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. 17

18 1.3.3 Ενέργεια από Βιομάζα Τα υπολείμματα φυτών και τα απορρίμματα ζωικών οργανισμών ονομάζονται βιομάζα που μπορεί με κατάλληλες χημικές ή βιολογικές διεργασίες να παράγει τα βιοκαύσιμα. Κύριες πηγές της βιομάζας είναι τα υπολείμματα της γεωργικής παραγωγής, των βιομηχανιών επεξεργασίας γεωργικών προϊόντων και παραγωγής τροφίμων, παραπροϊόντα κτηνοτροφίας, παραπροϊόντα επεξεργασίας ξύλου, στερεά απορρίμματα νοικοκυριών, φυτομάζα και κλάδεμα δεντροκαλλιεργιών, αυτοφυών βοηθητικών φυτών και αναξιοποίητης δασικής ύλης αλλά και οι πρότυπες ενεργειακές καλλιέργειες. Η βιομάζα αξιοποιείται με την καύση για την παραγωγή θερμότητας ή με την παραγωγή υγρών και αερίων καυσίμων. Το μεγάλο ενδιαφέρον πολλών ηλεκτρικών εταιριών στη χρήση βιομάζας οφείλεται στη δυνατότητα άμεσης αξιοποίησης της σαν συμπληρωματικό καύσιμο στους ηλεκτρικούς σταθμούς που χρησιμοποιούν γεωλογικά καύσιμα, με ταυτόχρονη ελάττωση των οξειδίων θείου και αζώτου. Αλλά ισχυρά είναι και τα κοινωνικά κίνητρα των εταιριών, όταν με την επιλογή τους αυτή επιλύουν το πρόβλημα διάθεσης των απορριμμάτων των πελατών τους και διευκολύνουν την οικονομική ανάπτυξη της περιοχής. 18

19 1.3.4 Γεωθερμική ενέργεια Ονομάζουμε τη φυσική θερμική ενέργεια της Γης που διαρρέει από το θερμό εσωτερικό του πλανήτη προς την επιφάνεια. Η μετάδοση θερμότητας πραγματοποιείται με δύο τρόπους: α) Με αγωγή από το εσωτερικό προς την επιφάνεια με ρυθμό 0,04-0,06 W/m 2 β) Με ρεύματα μεταφοράς, που περιορίζονται όμως στις ζώνες κοντά στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών, λόγω ηφαιστειακών και υδροθερμικών φαινομένων. Προέρχεται από τη θερμότητα που παράγεται απ' τη ραδιενεργό αποσύνθεση των πετρωμάτων της γης. Είναι εκμεταλλεύσιμη εκεί όπου η θερμότητα αυτή ανεβαίνει με φυσικό τρόπο στην επιφάνεια, π.χ. στους θερμοπίδακες ή στις πηγές ζεστού νερού. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε απευθείας για θερμικές εφαρμογές είτε για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Γενικά, η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας συναντά ορισμένα βασικά προβλήματα, τα οποία θα πρέπει να λυθούν ικανοποιητικά για την οικονομική εκμετάλλευση της εναλλακτικής αυτής μορφής ενέργειας. Οι τύποι αυτοί των προβλημάτων είναι ο σχηματισμός επικαθίσεων (ή όπως συχνά λέγεται οι καθαλατώσεις ή αποθέσεις) σε κάθε σχεδόν επιφάνεια που έρχεται σε επαφή με το γεωθερμικό ρευστό, η διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών, καθώς και ορισμένες περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις (διάθεση των ρευστών μετά τη χρήση τους, εκπομπές τοξικών αερίων, ιδίως του υδρόθειου). 19

20 1.3.5 Υδροηλεκτρική ενέργεια Υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η ενέργεια που αποταμιεύεται ως δυναμική ενέργεια μέσα σε βαρυτικό πεδίο με τη συσσώρευση μεγάλων ποσοτήτων νερού σε υψομετρική διαφορά από τη συνέχιση της ροής του ελεύθερου νερού, και αποδίδεται ως κινητική μέσω της υδατόπτωσης. Η κινητική ενέργεια, στη συνέχεια, μπορεί είτε να χρησιμοποιείται αυτούσια επιτόπου (π.χ. νερόμυλοι), είτε να μετατρέπεται σε ηλεκτρική ή άλλες, που την αποθηκεύουν, ώστε τελικά να μεταφέρεται σε μεγάλες αποστάσεις. Στον γήινο κύκλο του νερού η ενέργεια προέρχεται κυρίως από τον ήλιο που εξατμίζει, σηκώνει ψηλά δηλαδή (στην ατμόσφαιρα), μεγάλες ποσότητες νερού. Η εκμετάλλευση της ενέργειας στον κύκλο αυτό γίνεται με τη χρήση υδροηλεκτρικών έργων (υδατοταμιευτήρες, φράγματα, κλειστοί αγωγοί πτώσεως, υδροστρόβιλοι, ηλεκτρογεννήτριες, διώρυγες φυγής). Η λειτουργία των υδροηλεκτρικών μονάδων βασίζεται στην κίνηση του νερού λόγω διαφοράς μανομετρικού ύψους μεταξύ των σημείων εισόδου και εξόδου. Για το σκοπό αυτό κατασκευάζεται ένα φράγμα που συγκρατεί την απαιτούμενη ποσότητα νερού στον δημιουργούμενο ταμιευτήρα. Κατά τη διέλευσή του από τον αγωγό πτώσεως κινεί έναν στρόβιλο ο οποίος θέτει σε λειτουργία τη γεννήτρια. Η ποσότητα της παραγόμενης ενέργειας καθορίζεται από τον όγκο του νερού που ρέει, τη διαφορά μανομετρικού ύψους μεταξύ της ελεύθερης επιφάνειας του ταμιευτήρα και του στροβίλου, κ.α.. Συνεπώς, ο παραγόμενος ηλεκτρισμός εξαρτάται από την ποσότητα του νερού του ταμιευτήρα. Για το λόγο αυτόν μόνο σε περιοχές με σημαντικές βροχοπτώσεις, πλούσιες πηγές και κατάλληλη γεωλογική διαμόρφωση είναι δυνατόν να κατασκευαστούν υδροηλεκτρικά έργα. Συνήθως η ενέργεια που τελικώς παράγεται, χρησιμοποιείται μόνο συμπληρωματικά ως προς άλλες συμβατικές πηγές ενέργειας, καλύπτοντας φορτία αιχμής. Στην Ελλάδα η υδροηλεκτρική ενέργεια ικανοποιεί περίπου το 9% των ενεργειακών μας αναγκών σε ηλεκτρισμό. 20

21 Ενέργεια από τη θάλασσα Ενέργεια από παλίρροιες. Εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα του Ήλιου και της Σελήνης, που προκαλεί ανύψωση της στάθμης του νερού. Το νερό αποθηκεύεται καθώς ανεβαίνει και για να ξανακατέβει αναγκάζεται να περάσει μέσα από μια τουρμπίνα, παράγοντας ηλεκτρισμό. Έχει εφαρμοστεί στην Αγγλία, τη Γαλλία, τη Ρωσία και αλλού. Ενέργεια από κύματα. Εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των κυμάτων της θάλασσας. Προβλέπεται κόστος κατασκευής, ανά KW δεκαπλάσιο των συνηθισμένων υδροηλεκτρικών εγκαταστάσεων και απαιτείται τεράστιο μήκος ακτών. Ενέργεια από τους ωκεανούς. Εκμεταλλεύεται τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στα στρώματα του ωκεανού, κάνοντας χρήση θερμικών κύκλων. Βρίσκεται στο στάδιο της έρευνας. Παρά τα πλεονεκτήματα ( όχι εποχιακές μεταβολές, όχι αποθήκευση, άφθονη,πλωτές μονάδες, όχι ρύπανση ) τα τεχνοοικονομικά προβλήματα είναι μεγάλα και δεν προβλέπεται επί του παρόντος ελπιδοφόρα εκμετάλλευση. 21

22 22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΥΠΕΡΑΚΤΙΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ 23

24 2.1 Υπεράκτια αιολικά πάρκα Τα υπεράκτια αιολικά πάρκα (offshore wind farms) αποτελούν στις μέρες µας µια νέα σχετικά παγκόσμια προσπάθεια αύξησης της παραγωγής ενέργειας από την εκμετάλλευση του ανέμου. Η αιολική ενέργεια, όπως λέγεται, αποτελεί ανανεώσιμη μορφή ενέργειας δηλαδή η παραγωγή της δεν έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση στο περιβάλλον επιβλαβών ουσιών όπως διοξείδιο του άνθρακα, τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα, υδρογονάνθρακες κ.ά. όπως συμβαίνει µε άλλες πηγές ενέργειας (πετρέλαιο, λιγνίτης, πυρηνική ενέργεια κλπ.) Η μέχρι τώρα πρακτική εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο ήταν η δημιουργία αιολικών πάρκων (δηλαδή η εγκατάσταση πολλών ανεμογεννητριών σε µία περιοχή) σε διάφορες περιοχές στη ξηρά. Με την νέα αυτή πρακτική των υπεράκτιων αιολικών πάρκων εγκαθίστανται ανεμογεννήτριες σε θαλάσσιες περιοχές αυξάνοντας έτσι κατά πολύ τις κατάλληλες περιοχές δημιουργίας αιολικών πάρκων. Με αυτό τον τρόπο αυξάνεται και η δυνατότητα παραγωγής ενέργειας «φιλικής» προς το περιβάλλον από χώρες μικρές όπως η Ελλάδα όπου οι κατάλληλες περιοχές στη ξηρά για δημιουργία αιολικών πάρκων είναι περιορισμένες ενώ από την άλλη πλευρά διαθέτει ατελείωτες θαλάσσιες περιοχές που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για αυτό το σκοπό. Επίσης, έχει βρεθεί ότι η ταχύτητα του ανέμου στην επιφάνεια της θάλασσας είναι συνήθως μεγαλύτερη από αυτή στην ξηρά γεγονός που κάνει αποδοτικότερη τη λειτουργία µιας ανεμογεννήτριας. Σε παγκόσμιο επίπεδο η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από υπεράκτια αιολικά πάρκα είναι ακόμα σε χαμηλά επίπεδα σε σχέση µε αυτή που παράγεται από πάρκα της ξηράς. Σύμφωνα µε πρόσφατα στοιχεία (Ιούνιος 2010) του Ινστιτούτου για την Ενέργεια (Institute for Energy) του Κοινού Κέντρου Ερευνών (Joint Research Centre) της Ευρωπαϊκής Ένωσης το ποσοστό της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, 24

25 σε όλο τον κόσμο, από υπεράκτια αιολικά πάρκα σε σχέση µε τα πάρκα της ξηράς είναι 1,2%. Πράγματι, μέχρι το τέλος του 2009, η ηλεκτρική ενέργεια που παράχθηκε σε όλο τον κόσμο από την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας ήταν 160 GW (ή αλλιώς 340 TWh δηλαδή το 2% της παγκόσμιας ανάγκης σε ηλεκτρική ενέργεια) από αυτή, µόνο τα 2 GW παράχθηκαν από ανεμογεννήτριες του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Το ότι το θαλάσσιο περιβάλλον δίνει περισσότερη ελευθερία στην εύρεση κατάλληλης περιοχής για εγκατάσταση αιολικού πάρκου δεν σημαίνει ότι η επιλογή της περιοχής γίνεται αυθαίρετα. Για να επιλεγεί κάποια περιοχή πρέπει να πληρεί κάποια βασικά κριτήρια τα οποία θέτονται από την εκάστοτε χώρα. Συνήθως τα κριτήρια αυτά έχουν να κάνουν µε το βάθος (συνήθως έως 50 μέτρα), την απόσταση από την ακτή (συνήθως μέχρι 10 χιλ.), την οπτική όχληση από την ακτή, αν η περιοχή είναι προστατευόμενη, ικανοποιητική ταχύτητα ανέμου κ.ά. Στην Ελλάδα δεν είναι ακόμα εγκατεστημένα υπεράκτια αιολικά πάρκα. Ωστόσο, πρόσφατα το Υπουργείο Περιβάλλοντος, Ενέργειας και Κλιματικών Αλλαγών επέλεξε 12 θαλάσσιες περιοχές ανά τη χώρα για εγκατάσταση ανεμογεννητριών µε ορίζοντα το Αυτές οι περιοχές είναι σε Άγιο Ευστράτιο, Αλεξανδρούπολη, Κάρπαθο, Κέρκυρα, Θάσο, Κρυονέρι, Κύµη, Λήµνο, Λευκάδα, Πεταλιού, Σαμοθράκη και Φανάρι Ροδόπης συνολικής παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας 1,2 GW. Η μελέτη για την κατασκευή ενός υπεράκτιου αιολικού πάρκου χωρίζεται σε στάδια επεξεργασίας. Το κάθε στάδιο περιλαμβάνει διάφορους παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη γα ένα τέτοιο εγχείρημα. Τα βασικά σημεία μελέτης είναι τρία η τοποθεσία που θα χρησιμοποιηθεί, τα μηχανήματα που θα εγκατασταθούν και το συνολικό κόστος κατασκευής. Όμως το καθένα από αυτά τα σημεία περιέχει στοιχεία που πρέπει να εξεταστούν με ιδιαίτερη προσοχή με αποτέλεσμα να οδηγήσουν σε μια ουσιαστική και βιώσιμη λύση. Στην αναζήτηση της τοποθεσίας για ένα υπεράκτιο αιολικό πάρκο οι παράγοντες που αποτελούν βασική προϋπόθεση για την επιλογή εξαρτώνται από τα αιολικά δεδομένα της περιοχής αλλά και τη δυνατότητα φιλοξενίας ενός τέτοιου πάρκου στην περιοχή αυτή. Πιο συγκεκριμένα η μελέτη αφορά και στη δυνατότητα τοποθέτησης βάσεων για τις ανεμογεννήτριες στον πυθμένα της περιοχής αλλά χωρίς να καταστρέφεται η γεωλογία του εδάφους και ο υποθαλάσσιος βιότοπος. Το επόμενο βήμα της μελέτης περιλαμβάνει την επιλογή του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού. Έχοντας τα απαραίτητα στοιχεία για την περιοχή που επιλέχθηκε προχωράμε στη μελέτη εγκατάστασης και ολοκλήρωσης του πάρκου. Στον τομέα αυτό λαμβάνουν χώρα η επιλογή των γεννητριών, ανεμοκινητήρων, τον τρόπο σύνδεσής τους με το δίκτυο και το τοπογραφικό κομμάτι παράταξης τους στη περιοχή. Τέλος λαμβάνει χώρα μια οικονομοτεχνική μελέτη καταμετρώντας τα ποσά που απαιτούνται για την υλοποίηση του έργου. Παρουσιάζονται όλα τα οικονομικά στοιχεία και οι δυνατότητες χορήγησης ενός τέτοιου έργου. Επίσης αναφέρονται τα οφέλη και το επίπεδο ανάπτυξης της περιοχής που επιλέχθηκε, αλλά και οι όποιες επιβλαβείς ενδείξεις που μπορεί να επιφέρει μια τέτοια παρέμβαση στη χλωρίδα και πανίδα του τόπου. 25

26 2.1.1 Υπεράκτια αιολικά πάρκα και αγορά Στην Ευρώπη, κάθε χρόνο από το έτος 2000, νέες υπεράκτιες ανεμογεννήτριες έρχονται συνεχώς. Στο τέλος του 2012 υπήρχαν ανεμογεννήτριες με 5GW αιολικό δυναμικό εγκαταστημένες υπεράκτια σε 55 αιολικά πάρκα σε 10 ευρωπαϊκές χώρες (πίνακας 1). Αυτά παράγουν 18 ΤWh αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για να τροφοδοτήσει 5 εκατομμύρια νοικοκυριά. Πίνακας 1 Η υπεράκτια αιολική ενέργεια αντιπροσωπεύει το 10% της ετήσιας αιολικής ενέργειας που είναι εγκαταστημένη σε όλη την Ευρώπη. Αυτή είναι μόνο η αρχή της μεγάλης παγκόσμιας βιομηχανικής ανάπτυξης, που ξεκίνησε από την Ευρώπη. Τα περισσότερα από τα υπεράκτια έργα (3,2 GW ή 65% της συνολικής ικανότητας) βρίσκονται στη Βόρεια Θάλασσα, 16% της συνολικής ικανότητας βρίσκεται στη Βαλτική Θάλασσα και 19% στον Ατλαντικό. Δεν υπάρχουν αυτή τη στιγμή υπεράκτια αιολικά πάρκα στην περιοχή της Μεσογείου, λόγω του βάθους της, και επειδή οι τρέχουσες εμπορικές δομές είναι περιορισμένες σε 40m και 50m μέγιστο βάθος. Αυτό περιορίζει τις δυνατότητες εκμετάλλευσης της υπεράκτιας αιολικής ανάπτυξης στη Μεσόγειο. 26

27 Τυπικές σταθερές βάσεις ανοικτής θαλάσσης Πίνακας 2 Στο τέλος του 2012, υπήρχαν δύο τμήματα ανεμογεννητριών που συνδέονται υπεράκτια σε πλωτά τμήματα, Hywind και Windfloat. Και οι δύο βρίσκονται στην Ευρώπη, ένα στη Βόρεια Θάλασσα και ένα στο Ατλαντικό Hywind αναπτύσσεται από τη Statoil, με 2,3 MW Siemens τουρμπίνα. Εγκατεστημένη στη Νορβηγία το 2009, είναι η πρώτη μεγάλης κλίμακας πλωτή αιολική δομή που έχει εγκατασταθεί στον κόσμο. Windfloat, που είναι δεύτερης μεγάλης κλίμακας σύστημα επίπλευσης, είχε τοποθετηθεί ανοικτά των ακτών της Πορτογαλίας από το 2011 και άρχισε να παράγει ενέργεια από το Είναι εξοπλισμένο με 2 MW ανεμογεννήτριας Vestas. Επτά πειραματικά πλωτά τμήματα (τέσσερα στην Ευρώπη, δύο στην Ιαπωνία και ένα στις ΗΠΑ) είναι σε φάση δοκιμής: SeaTwirl, SWAY, Blue H και Poseidon στην Ευρώπη, το Kabashima Island σχέδιο και WindLens στην Ιαπωνία και DeepCwind floating turbine στην Αμερική. SeaTwirl είχε εγκατασταθεί και δοκιμαστεί στη Σουηδία, και εν συνεχεία τέθηκε εκτός λειτουργίας. SWAY, έχουν αναπτυχθεί από την SWAY, και εγκαταστάθηκε στη Νορβηγία. 27

28 Η πρώτη φάση της BLUE H εγκαταστάθηκε το καλοκαίρι του 2008 μαζί με μια μικρή ανεμογεννήτρια σε βάθος 113 m, 11,5 ναυτικών μιλίων (21,3 χιλιόμετρα) από τις ακτές της νότιας Ιταλίας, κοντά στην τοποθεσία του μελλοντικού υπεράκτιου έργου Tricase. Μετά από έξι μήνες στη θάλασσα, η μονάδα τέθηκε εκτός λειτουργίας στις αρχές του Poseidon 37, κατασκευασμένη από πλωτή μονάδα ηλεκτροπαραγωγής, είχε εγκατασταθεί και δοκιμαστεί το 2008 στο Vindeby υπεράκτιο αιολικό πάρκο, ανοιχτά των ακτών του Lolland στη Δανία. DeepCwind κοινοπραξία εγκατέστησε 20 kw πλωτή ανεμογεννήτρια στον Κόλπο του Μέιν στο Ιουνίου Στο νησί Καμπασίμα (Ιαπωνία) με 100 kw είναι συνδεδεμένη στο δίκτυο και σε φάση δοκιμών. Στο Hakata Bay, ένα μοντέλο με δύο ανεμογεννήτριες των 3 kw σε κάθε μία εξέδρα είναι εγκατεστημένο και συνδεδεμένο δίκτυο. Η Ευρωπαϊκή υπεράκτια αιολική βιομηχανία βρίσκεται σε νηπιακό στάδιο και έχει τεράστιες δυνατότητες όσων αφορά τη μείωση του κόστους και την τεχνολογική καινοτομία. Ενώ όλο και πιο αναπτυσσόμενα σχέδια για βαθιά υπεράκτια πάρκα για βάθη νερού πάνω από 50m θα ξεκλειδώσουν τη δυνητική αγορά. Η EWEA διαπιστώνει ότι εκτός από τις δύο πλήρους κλίμακας υπεράκτιες ανεμογεννήτριες στο τέλος του 2012, υπάρχουν τρεις γεννήτριες συνδεδεμένες πειραματικά σε πλωτά τμήματα και τριάντα πέντε σχέδια υπό ανάπτυξη σε παγκόσμια κλίμακα. Από όλα αυτά τα σαράντα έργα τα είκοσι επτά (περισσότερο από 60 %) βρίσκονται στην Ευρώπη, σε εννέα χώρες: Δανία, Γαλλία, Γερμανία, Ολλανδία, Νορβηγία, Πορτογαλία, Ισπανία, Σουηδία και Ηνωμένο βασίλειο. Τέσσερα (10 %) είναι στις ΗΠΑ και εννέα (23 %) στην Ιαπωνία. Μερίδιο των τύπων υποδομής των αιολικών πάρκων (2012) Πίνακας 3 28

29 Θέση των αιολικών πάρκων (βάσει του αριθμού των σχεδίων που έχει ανακοινωθεί) Πίνακας Υπεράκτια πάρκα σε βαθύτερα νερά με μεγαλύτερες γεννήτριες Καθώς η βιομηχανία εξελίσσεται, τα υπεράκτια αιολικά πάρκα έχουν κατασκευαστεί μακριά από την ακτή και σε βαθύτερα νερά. Αυτό επιδρά στην εθνική θαλάσσια χωροταξία και στην επιθυμία των προγραμματιστών των αιολικών πάρκων για να δεσμεύσουν περισσότερους ενεργειακούς πόρους έξω στη θάλασσα. Από το 2012 το μέσο βάθος νερού για τα υπεράκτια αιολικά πάρκα ήταν 22m. Η μέση απόσταση στην ξηρά ήταν 29km. Είναι σαφές από τα έργα που είναι υπό κατασκευή, ή από αυτά που έχουν προγραμματιστεί, ότι το μέσο βάθος νερού και η απόσταση από την ακτή θα αυξηθεί. Έχουν ανακοινωθεί σχέδια είναι έως και 200km από την ακτή και σε νερό βάθους έως και 215m. Παράλληλα με την τάση προς βαθύτερα ύδατα, ο τομέας υπεράκτιας αιολικής ενέργειας αναπτύσσει επίσης μεγαλύτερες ανεμογεννήτριες. Το μέσο μέγεθος των στροβίλων πλέγματος που συνδέονταν το 2012 ήταν 4 MW, και πάνω από 3,6 MW το Από το 2012, από τα 38 νέα μοντέλα υπεράκτιων ανεμογεννητριών, μόνον 9 (24 %) είχαν ονομαστική χωρητικότητα μικρότερη των 5 MW. Τα υπόλοιπα 29 (76 %) ήταν μεγαλύτερα μηχανήματα. Βαθιά υπεράκτια σχέδια θα πρέπει να προσαρμοστούν σε αυτά τα μεγέθη γεννητριών για να επιτευχθεί η βέλτιστη ισορροπία μεταξύ παραγωγής ενέργειας και κόστους. 29

30 Το μέσο βάθος νερού και απόσταση από την ξηρά για τα εγκατεστημένα, υπό κατασκευή και μελλοντικά υπεράκτια αιολικά πάρκα ( το μέγεθος της φυσαλίδας αντιπροσωπεύει την συνολική παραγωγική ικανότητα του αιολικού πάρκου) Προοπτικές της αγοράς Στο τέλος του 2012, ήταν κάτω από 5 GW εγκατεστημένες υπεράκτιες μονάδες παραγωγής αιολικής ενέργειας στην Ευρώπη. Ένα επιπλέον MW είναι υπό κατασκευή και περίπου MW συναινέσει. Υπάρχουν προβλέψεις ότι από το έτος 2020, 40 GW υπεράκτιο αιολικό δυναμικό θα μπορούσε να λειτουργήσει στα ευρωπαϊκά ύδατα, και να παράγει 148 TWh όπως προβλέπεται από τις συνθήκες σωστού πλαισίου. Αυτό είναι αρκετό για να τροφοδοτήσει 39 εκατομμύρια νοικοκυριά. Από το έτος 2020 υπεράκτια αιολικά πάρκα θα αντιπροσωπεύουν το 30% της νέας ετήσιας εγκατεστημένης αιολικής αγοράς. 30

31 Προοπτικές της αγοράς για εγκατεστημένα, υπό κατασκευή και συναινέσει έργα Πίνακας 5 Έως το έτος 2020, οι περισσότερες από αυτές τις εξελίξεις θα παραμείνουν στη Βόρεια Θάλασσα και της Βαλτικής θάλασσα. Στη Μεσόγειο θα μπορούσαν να αρχίσουν να εκμεταλλεύονται τις δυνατότητες της ανοιχτής θαλάσσης (8% της μελλοντικής ικανότητας) σε ότι χρονικό πλαίσιο, μαζί με τη Βαλτική Θάλασσα (21% της μελλοντικής χωρητικότητας ). Το 2030, προβλέψεις από την EWEA δείχνουν ότι θα υπάρχουν 150 GW εγκατεστημένου υπεράκτιου αιολικού δυναμικού, αρκετό για την τροφοδοσία 145 εκατομμυρίων νοικοκυριών. Η υπεράκτια αιολική ενέργεια θα αντιπροσωπεύει το 60%, η οποία υπερβαίνει την αγορά των χερσαίων πάρκων. Η EWEA εντόπισε 141 GW για έργα στα ευρωπαϊκά ύδατα, τα οποία είναι είτε εγκατεστημένα, ή υπό κατασκευή, ή προγραμματισμένα. Από αυτά, 22 GW (16 %) θα είναι στον Ατλαντικό και 16 GW (11 %) στη Μεσόγειο Θάλασσα, όπου τα ύδατα είναι συνήθως πιο βαθιά. Για να εκμεταλλευτούμε αυτή τη δυνατότητα στον Ατλαντικό, τη Μεσόγειο και τα βαθύτερα μέρη της Βόρειας Θάλασσας, όπως των νορβηγικών ακτών, τα βαθιά υπεράκτια σχέδια είναι απαραίτητα. Τέλος, το 2050 η υπεράκτια αιολική ενέργεια μπορεί να ανέλθει σε 460 GW, και να παράγονται TWh και η συνεισφορά στην Ευρωπαϊκή αγορά θα ανέρχεται κατά 50% από τον άνεμο. Η εκθετική ανάπτυξη είναι εφικτή μόνο μέσω της υλοποίησης των βαθέων υπεράκτιων σχεδιασμών. 31

32 Μερίδιο των μελλοντικών υπεράκτιων αιολικών πάρκων ανά θάλασσα (mw) Εκτίμηση δυναμικού Πίνακας 6 Χρησιμοποιώντας μόνο στη Βόρεια Θάλασσα τοποθεσίες με νερό πάνω από 50m βάθος για παράδειγμα, το δυναμικό για τα βαθιά υπεράκτια αιολικά πάρκα είναι τεράστιο. Το 66% της Βόρειας Θάλασσας έχει ένα βάθος νερού μεταξύ 50m και 220m και συνεπώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να υλοποιήσουν σχεδιασμούς για βαθιά υπεράκτια πάρκα. Για παράδειγμα, υποθέτοντας ότι είχαμε 6 MW ανεμογεννήτριες, η ενέργεια που παράγεται σε αυτή την περιοχή θα μπορούσε να ξεπεράσει την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας σήμερα στην ΕΕ τέσσερις φορές. Από το 2050, με 10 MW ανεμογεννήτριες, η ενέργεια που παράγεται σε αυτή την περιοχή θα μπορούσε να εκπληρώσει τα κριτήρια της ΕΕ στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ακόμα περισσότερες από τέσσερις φορές. Η Πορτογαλία έχει μια τεράστια θαλάσσια περιοχή του Ατλαντικού, όπου οι άνεμοι είναι ιδιαίτερα ισχυροί και τόσο η Γαλλία και η Ισπανία έχουν βαθιά νερά κοντά στις ακτές της Μεσογείου και του Ατλαντικού στη θάλασσα. Υπάρχει, λοιπόν, ένα τεράστιο δυναμικό για υπεράκτια αιολικά πάρκα σε βαθιά νερά. Επιπλέον, και στις τρεις χώρες, η βιομηχανία αναπτύσσεται (και οι δοκιμές στην περίπτωση της Πορτογαλίας) για σχεδιασμούς σε βαθιά νερά. 32

33 Χάρτης στον οποίο φαίνεται το βάθος της θάλασσας Θάλασσα και τη βαλτική περιοχή σε όλη τη Βόρεια Χάρτης στον οποίο φαίνεται το βάθος της θάλασσας σε όλο τον Ατλαντικό Ωκεανό 33

34 Χάρτης που δείχνει το βάθος θάλασσας σε ολόκληρη την περιοχή της μεσογείου και μαύρης θάλασσας 2.2 Εισαγωγή των σχεδίων για τα βαθιά υπεράκτια πάρκα Τεχνολογία Βασικό μέλημα στα υπεράκτια αιολικά πάρκα είναι η πάκτωση των ανεμογεννητριών στον πυθμένα των περιοχών που πρόκειται να εγκατασταθούν. Είναι μια δουλειά που απαιτεί ιδιαίτερη μελέτη από πολλές πλευρές. Στην Ελλάδα υπάρχουν αρκετές ιδιαιτερότητες που πρέπει να λάβει μια μελέτη τέτοιου είδους πολύ σοβαρά. Το κυριότερο θέμα που ισχύει σε κάθε τέτοια κατασκευή είναι η σεισμική πρόληψη. Η χώρα χαρακτηρίζεται ως μία αρκετά σεισμογενής περιοχή και αυτό επιφέρει μια ιδιαίτερη προσοχή σε οποιαδήποτε στατική μελέτη. Ένας λόγος που κάνει πιο συγκεκριμένη μια τέτοια μελέτη είναι και οι αλλαγές του υλικού του βυθού της κάθε περιοχής. Πολλές φορές αλλάζουν τα υλικά που συνθέτουν το ανάγλυφο της υποθαλάσσιας περιοχής. Αυτό μπορεί να είναι από μία πεδινή περιοχή με άμμο, μέχρι σε μια βραχώδη γεμάτη πετρώματα περιοχή γεμάτη ξέρες. Η γενική ιδέα μιας πλωτής ανεμογεννήτριας υπήρχε από τις αρχές της δεκαετίας του 1970, αλλά η βιομηχανία άρχισε μόνο να το ερευνά από τα μέσα της δεκαετίας του Το έτος 2008, η Blue H τεχνολογία είχε εγκαταστήσει την πρώτη δοκιμαστική πλωτή ανεμογεννήτρια στις ιταλικές ακτές. Η γεννήτρια είχε μια ονομαστική ικανότητα των 80 kw και μετά από έναν χρόνο δοκιμών και συλλογή των δεδομένων τέθηκε εκτός λειτουργίας. Ένα χρόνο αργότερα ακολούθησε ο σχεδιασμός Poseidon 37.Το 2009, η Statoil είχε εγκαταστήσει την πρώτη στον κόσμο μεγάλη πλωτή ανεμογεννήτρια συνδεδεμένη στο δίκτυο, την Hywind, στη Νορβηγία, με 2,3 MW Siemens τουρμπίνα. Το δεύτερο μεγάλης κλίμακας σύστημα πλεύσης, WindFloat, που αναπτύχθηκε από Principle Power σε συνεργασία με EDP και της Repsol, είχε 34

35 εγκατασταθεί ανοικτά των ακτών της Πορτογαλίας από το Εξοπλισμένο με 2 MW ανεμογεννήτρια Vestas, η εγκατάσταση άρχισε να παράγει ενέργεια από το Το 2011 ήταν το καλύτερο έτος για βαθιά υπεράκτια ανάπτυξη με δύο πλωτά τμήματα να δοκιμάζονται, SeaTwirl και SWAY, σε αντίθεση με το συνδεδεμένο στο δίκτυο Windfloat έργο. Σήμερα, τα υπεράκτια αιολικά πάρκα χρησιμοποιούν τρία κύρια είδη βαθέων υποθαλάσσιων θεμελίων Η Spar Buoy: όπου μια πολύ μεγάλη κυλινδρική σημαδούρα σταθεροποιεί την ανεμογεννήτρια με τη χρήση αντίβαρων. Το κέντρο της βαρύτητας είναι πολύ κάτω από το νερό απ' το κέντρο της άνωσης. Ενώ τα κάτω μέρη της δομής είναι βαριά, τα επάνω τμήματα είναι συνήθως κενά κοντά στην επιφάνεια, αυξάνοντας το κέντρο της άνωσης. Tension Leg Platform: μια πολύ επιπλέουσα δομή που είναι μισοβυθισμένη. Τεντωμένα σχοινιά πρόσδεσης είναι στερεωμένα σε αυτήν και αγκυροβολείται στο βυθό για να προσθέσει πλευστότητα και σταθερότητα. Semi-submersible: συνδυάζοντας τις βασικές αρχές των δύο προηγούμενων σχεδίων ή υποδειγμάτων, μια ημι-βυθισμένη δομή προστίθεται για να επιτύχουν την απαραίτητη σταθερότητα. Jacket foundation : έρχεται από τη Σκωτία και και είναι μια λύση για τα περισσότερα είδη βυθών και κυρίως για βάθη μέτρα. Αποτελείται από τρία βασικά σκέλη. Το πρώτο αφορά τις τέσσερις σωλήνες όπου στηρίζεται η όλη κατασκευή. Είναι μια διαδικασία γεώτρησης του πυθμένα με σκοπό την τοποθέτηση αυτών των βεργών. Στη συνέχεια ένας κορμός σχεδιασμένος με βάση τα δικτυόματα αποτελεί την κύρια στατική κατασκευή. Το υλικό διαφοροποιείται σε δύο στρώματα. Αυτό που βρίσκεται στο νερό και αυτό που βρίσκεται έξω από το νερό. Τέλος στην κορυφή τοποθετείται η υποδοχή της κολώνας της ανεμογεννήτριας. 35

36 2.2.2 Τεχνική υποδομή και προκλήσεις Η αξιολόγηση των πόρων, η σύνδεση με το δίκτυο και η λειτουργία των υπεράκτιων αιολικών πάρκων αποτελούν σημαντικές προκλήσεις. Αυτό ισχύει επίσης και για τα βαθιά υπεράκτια έργα. Ωστόσο, για το τελευταίο, η θεμελίωση και τα συστήματα ελέγχου μπορεί να δημιουργήσουν πρόσθετη τεχνική πρόκληση Μοντελοποίηση και αριθμητικά εργαλεία Η υπεράκτια αιολική ενέργεια είναι μια νέα βιομηχανία, η οποία ξεκίνησε το 1991, όταν το πρώτο αιολικό πάρκο είχε εγκατασταθεί στη δανική ακτή. Ενώ η χερσαία αιολική τεχνολογία είχε αρχικά χρησιμοποιηθεί για την παροχή αυτή η εξειδικευμένη αγορά, η υπεράκτια αιολική αγορά αναπτύσσει ολοένα και περισσότερο συγκεκριμένα προϊόντα με σχεδιασμό που οδεύει προς εξειδίκευση. Πολλά προϊόντα και τεχνικές έχουν προσαρμοστεί από άλλες βιομηχανίες, ιδιαίτερα από τα χερσαία αιολικά πάρκα,το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο. Μια νέα γενιά μοντέλων και αριθμητικών εργαλείων σχεδιασμού, αναπτύχθηκε για να διευθύνει τις τεχνολογικές απαιτήσεις των υπεράκτιων ανεμογεννητριών, όπως μεταξύ άλλων εγκατάσταση και λειτουργία σε ένα πολύ εχθρικό θαλάσσιο περιβάλλον. Επειδή τα βαθιά υπεράκτια σχέδια είναι σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης, η μοντελοποίηση παραμένει μία από τις κύριες προκλήσεις. Πειραματικές πλωτές κατασκευές και πλήρη πρωτότυπα θα χρειαστεί να επικυρώσουν το νέο αριθμητικό εργαλείο λογισμικού που χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της συμπεριφοράς των πλωτών πάρκων. Εργαλεία μοντελοποίησης που συνδυάζουν την ανεμογεννήτρια και τις συνθήκες αρμονικής λειτουργίας σήμερα δεν υπάρχουν επικυρωμένα για βαθιούς υπεράκτιους σχεδιασμούς. Προκειμένου να διασφαλιστεί η επιτυχής εκπόνηση μοντέλων, το λογισμικό θα πρέπει να είναι σε θέση να αναλύει την αλληλεπίδραση ανάμεσα στην αεροδυναμική και δομική συμπεριφορά του έργου (συμπεριλαμβανομένης της αδράνειας) και της τουρμπίνας ταυτόχρονα. Το να εξασφαλίσουμε ότι το μοντέλο είναι αρκετά ανεπτυγμένο είναι μια επιπλέον πρόκληση. Εργαλεία μοντελοποίησης και αριθμητικοί κώδικες που προσομοιώνουν όλη δομική συμπεριφορά θα πρέπει να αναπτυχθούν και να επικυρωθούν για να επιτραπεί μια βελτιωμένη σχεδίαση. Αυτό θα είναι ένα πρώτο βήμα προς μια βαθιά υπεράκτια ανάπτυξη Βελτιστοποιημένες ανεμογεννήτριες για πλωτές δομές στήριξης Η ενσωμάτωση της ανεμογεννήτριας σε μια βαθιά υπεράκτια πλατφόρμα είναι ένα άλλο σημαντικό τεχνικό ζήτημα, το οποίο έχει σημαντικές επιπτώσεις στο κόστος του σχεδίου και επομένως στο κόστος της ενέργειας. Εγκαθιστώντας μια "κανονική" υπεράκτια ανεμογεννήτρια σε πλωτή κατασκευή είναι το πρώτο βήμα, αλλά δεν είναι η μόνη λύση. Για να βελτιωθούν τα οικονομικά οφέλη των σχεδιασμών της βαθιάς θάλασσας, θα είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν τεχνολογίες για τη βελτιστοποίηση της αρχιτεκτονικής του συστήματος. 36

37 Τα σχέδια των ανεμογεννητριών θα πρέπει να βελτιστοποιηθούν για χρήση σε πλωτά τμήματα. Αν το συνολικό σύστημα - ανεμογεννήτρια και πλωτή κατασκευή - είναι όντως βελτιστοποιημένο, η τεχνολογίες των βαθιών υπεράκτιων πάρκων θα γίνουν ανταγωνιστικές. Το μέγεθος της τουρμπίνας παίζει σημαντικό ρόλο για τον προσδιορισμό αυτό, πρέπει, επομένως, να εξεταστεί προσεκτικά. Από το 2012, το μέσο μέγεθος των υπεράκτιων γεννητριών που ήταν πρόσφατα συνδεδεμένες με το δίκτυο ήταν 4 MW, πάνω από 3,6 MW το Επιπλέον, εκτός από τα 38 νέα μοντέλα ανακοινώθηκε ότι, μόνον 9 (24 %) είναι μικρότερα των 5 MW, και τα άλλα 29 (76 %) αποτελούνται από μεγαλύτερα μηχανήματα. Βαθιά υπεράκτια σχέδια θα πρέπει να προσαρμοστούν στην εξέλιξη αυτή. Για να είναι τα σχέδια πιο βιώσιμα πρέπει να χρησιμοποιούνται μεγαλύτερες ανεμογεννήτριες και νέα υλικά. Επιπλέον, η τυπολογία - ο συνδυασμός της τοποθεσίας και της τεχνολογίας συγκεκριμένων μεταβλητών (π. χ. βάθος νερού, το μέγεθος της ανεμογεννήτριας) - είναι η βασική παράμετρος για κάθε διαφορετικό σχεδιασμό ανάλογα με την τοποθεσία. Η επιλογή της εγκατάστασης συνδέεται στενά με τη λειτουργία της ανεμογεννήτριας. Η σχεδίαση της εγκατάστασης συνήθως περιορίζεται από τον τρόπο που η ανεμογεννήτρια πρέπει να ελέγχεται. Οι ελεγχόμενες κινήσεις και ο τρόπος με τον οποίο θα επηρεάσουν την απόδοση του συστήματος και των στρατηγιών για τον έλεγχο του ρότορα, συνδέονται με την δυναμική απόκριση της πλωτής δομής. Αυτό θα επιβάλλει περιορισμούς στο συνολικό σχεδιασμό. Για παράδειγμα, semi-submersible και tension leg πλατφόρμες (TLP) τα σχέδια των οποίων ενδέχεται να εμφανίζονται πιο ακριβά, αλλά θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε διαμορφώσεις με χαμηλή απόκριση και σε πιο σταθερές συνθήκες λειτουργίας, κοντά στις ακτές. Από την άλλη πλευρά, η spar buoy θα πρέπει να είναι σχεδιασμένη ώστε να συνδυάζει επιτυχή ανταπόκριση καθώς και μικρές επιπτώσεις στο σύστημα της αεροδυναμικής. Η επιβολή ενός ενεργού ελέγχου της τουρμπίνας αυτή καθεαυτή μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική μείωση του κόστους και βελτίωση της απόδοσης, δεδομένου ότι βελτιώνει τη συνολική σταθερότητα του συστήματος. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην ανάπτυξη κατάλληλων και επαρκών συστημάτων ελέγχου. Αυτά θα πρέπει να εργαστούν στη σταθεροποίηση της δομής και βελτίωση της ενεργειακής παραγωγής, ελαχιστοποίηση φορτίου και απωλειών Σύνδεση με το δίκτυο Οι προκλήσεις που αντιμετωπίζει η σύνδεση των πλωτών υπεράκτιων αιολικών πάρκων στο δίκτυο από τον υποσταθμό στην ξηρά, δεν διαφέρουν αισθητά από αυτές των σταθερών βάσεων. Η απόσταση από την ακτή και τη διαθεσιμότητα των δικτύων στο σημείο της σύνδεσης παραμένουν ένα δυνητικό εμπόδιο. Ωστόσο, σε ότι αφορά την καλωδιακή τεχνολογία, το δυναμικό τμήμα των καλωδίων (το τμήμα που έχει την κίνηση) είναι ένα σημαντικό θέμα. Η κίνηση προκαλείται από την γεννήτρια και από το μη σταθερό τμήμα και μπορεί να τεθούν πρόσθετα φορτία για τα καλώδια. Σε βάθη άνω των 100 m, η διάταξη των καλωδίων θα μπορούσε επίσης να δημιουργήσει τεχνικά προβλήματα. Με ένα καλώδιο συστοιχίας που είναι στο βυθό ή βυθισμένο σε περίπου 50m, ένα μακρύτερο καλώδιο θα είναι απαραίτητο, το οποίο θα 37

38 μπορούσε να οδηγήσει στο καλώδιο μετακίνησης. Μελέτες της δυναμικής απόκρισης των καλωδίων και αξιολόγηση του κόστους θα πρέπει να αναπτυχθούν. Όσο για την βαθιά υπεράκτια αιολική βιομηχανία θα πρέπει να είναι σε θέση να επωφεληθεί από την πείρα που αποκτήθηκε στον τομέα πετρελαίου και αερίου, όταν τα συστήματα αυτά είχαν χρησιμοποιηθεί για πολλά χρόνια. Εντατικοποίηση της ανταλλαγής γνώσεων και η συνεργασία με τη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου θα βοηθήσει να αναπτύξουν την υπεράκτια τεχνολογία ταχύτερα και πιο οικονομικά. Εν κατακλείδι, τα βαθιά υπεράκτια σχέδια είναι ακόμα στα σπάργανα. Η εμπορευματοποίηση αναμένεται τα επόμενα πέντε με έξι χρόνια αλλά πολλές καινοτομίες εξακολουθούν να είναι απαραίτητες για να διασφαλιστεί η σχεδιαστική αξιοπιστία και η εμπορική βιωσιμότητα. Όπως και για τα άλλες υπεράκτιες αιολικές τεχνολογίες, είναι σημαντικό θεμελιακές δοκιμές και δοκιμές στις τοποθεσίες, όπως Alpha Ventus στη Γερμανία που έχουν αναπτυχθεί για να επικυρώσουν νέα σχέδια και δοκιμές στα εξαρτήματα της γεννήτριας και σε μέρη αυτών. Δοκιμές στις τοποθεσίες που μπορούν να συμπεριλάβουν μεγάλες ανεμογεννήτριες με βάθη νερού πάνω από 60m θα βοηθήσουν να μειωθεί το κόστος και να βελτιωθεί η αξιοπιστία των βαθέων υποθαλάσσιων σχεδιασμών. 38

39 2.2.6 Εγκατάσταση, λειτουργία και συντήρηση Η αλυσίδα εφοδιασμού και οι απαιτήσεις σε λιμενικές υποδομές είναι οι ίδιες για όλους τους τύπους των υπεράκτιων αιολικών δομών. Σε κοινό με τα σταθερά θεμέλια, η οικοδόμηση μιας ισχυρής αλυσίδας εφοδιασμού παραμένει προτεραιότητα για τη βαθιά υπεράκτια υλοποίηση. Οι λιμένες πρέπει να επιτρέπουν αυξημένη απόδοση και να παρέχουν αρκετό χώρο για να χωρέσει και η εγκατάσταση της αποθήκευσης εξαρτημάτων. Η υποδομή για την σειριακή παραγωγή των πλωτών ανοιχτής θαλάσσης εξαρτημάτων πρέπει να οικοδομηθεί, όπως είναι η περίπτωση αυτών των σταθερών βάσεων. Η αλυσίδα εφοδιασμού και οι απαιτήσεις των λιμενικών υποδομών για τις πλωτές ανεμογεννήτριες μπορεί να είναι παρόμοια με εκείνα των σταθερών βάσεων υπεράκτιας αιολικής ενέργειας, αλλά και τα οικονομικά κόστη των υπεράκτιων έργων είναι διαφορετικά από την άποψη της εγκατάστασης και της λειτουργίας και συντήρησης (Ο&Μ). Τα υπεράκτια αιολικά πάρκα είναι κύρια τεχνολογία, και το κόστος εγκατάστασης είναι ένα σημαντικό κόστος. Αλλά αυτό δεν συμβαίνει για τις περισσότερες από τις βαθιές υπεράκτιες σχεδιάσεις, που να μπορεί να συναρμολογηθούν στην ξηρά και στη συνέχεια να συρθούν έξω στη θάλασσα. Αυτό μειώνει την ανάγκη για τη χρήση σκαφών, που μειώνει το συνολικό κόστος εγκατάστασης. Επίσης μειώνει τους χρόνους εγκατάστασης καθώς τα βαθιά υπεράκτια σχέδια εξαρτώνται λιγότερο από τις αντίξοες καιρικές συνθήκες και τη θαλασσοταραχή. Η βιομηχανία, ωστόσο, προσπαθεί να ελαχιστοποιήσει το κόστος εγκατάστασης και πρέπει να συνεχίσει να αναπτύσσει την αυτό-τοποθέτηση και τα συναρμολογημένα συστήματα. Ο χειρισμός και η τοποθέτηση σκοινιών πρόσδεσης και αγκυρών μπορεί να είναι η κύρια πρόκληση για την εγκατάσταση. Προσοχή πρέπει να δοθεί στο τι εξοπλισμός χρησιμοποιείται. Οι κάβοι και οι άγκυρες πρέπει να είναι σχεδιασμένα κατά τρόπον ώστε να εξασφαλίζεται η έννοια της σταθερότητας καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής του. Η πρόσδεση των σκοινιών πρόσδεσης για την πλωτή πλατφόρμα είναι μία από τις πιο δύσκολες φάσεις της διαδικασίας εγκατάστασης. Σημαντική εμπειρία μεταφέρεται από τον τομέα πετρελαίου και του φυσικού αερίου για να μειώσουν τους κινδύνους σχεδιασμού και εγκατάστασης για την πρόσδεση των πλωτών κατασκευών. Ωστόσο, σχέδια για πιο βαθιά υπεράκτια αιολικά πάρκα θα μπορούσαν να συναρμολογηθούν στην ξηρά και να μεταφερθούν στο εργοτάξιο. Σε περίπτωση αποτυχίας η όλη δομή θα μπορούσε να μεταφερθεί για επισκευή σε ξηρά από ρυμουλκό. Αυτό θα επιτρέψει να αποφευχθεί η χρήση με ακριβά σκάφη Εκτίμηση του κόστους για τα σχέδια της βαθιάς θάλασσας Η υπεράκτια αιολική ενέργεια εξακολουθεί να βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο, και ως εκ τούτου έχει υψηλό κόστος. Μείωση του κόστους είναι μία από τις βασικές προκλήσεις για τη βιομηχανία και πολύ δουλειά που γίνεται για την αντιμετώπιση του προβλήματος. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας, μαζί με την υποστήριξη ενός ασφαλούς και σταθερού κανονιστικού πλαισίου, θα συμβάλει στη μείωση του κόστους. Ωστόσο, όσων αφορά την καινοτομία πρέπει να προσανατολίζονται επίσης προς την 39

40 κατεύθυνση της μείωσης των δαπανών για την γεννήτρια, τα θεμέλια και άλλες δαπάνες. Επομένως, είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί επαρκής χρηματοδότηση για να μπορέσει το όραμα για την υπεράκτια ενέργεια να γίνει πραγματικότητα. Μαζί με την εστίαση στις αξιόπιστες και αποτελεσματικές ως προς το κόστος λύσεις για τις βάσεις για τη μελλοντική αγορά σε βαθύτερα νερά, θα πρέπει να αναπτυχθούν αποτελεσματικά ως προς το κόστος τα πλωτά δομικά τμήματα για να εξασφαλίσουν μεγαλύτερη κλίμακα αγοράς για την υπεράκτια αιολικής ενέργεια. Η παραγωγή και εγκατάσταση της κατασκευής αποτελεί έως και 20% των κεφαλαιουχικών δαπανών (κεφαλαιουχικών δαπανών (CAPEX)) των υπεράκτιων αιολικών πάρκων. Τα υπεράκτια αιολικά κόστη μπορούν, συνεπώς, να μειωθούν σημαντικά από τα κατασκευαστικά κόστη. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέσω νέων μοντέλων με χαμηλή εγκατάσταση και κόστος παραγωγής Οι δαπάνες για επιπλέουσες υπεράκτιες κατασκευές αποτελούνται κυρίως από την πλατφόρμα και το σύστημα στερέωσης. Οι δαπάνες αυτές είναι παρόμοιες με εκείνες των βάσεων που έχουν εγκατασταθεί σε βαθιά ύδατα. Η σημαντική διαφορά μεταξύ των δύο λύσεων είναι στο σχεδιασμό και το κόστος εγκατάστασης όπου τα επιπλέοντα υπεράκτια σχέδια αναμένεται να είναι φθηνότερα. Συνολικά, τα πλωτά σχέδια ανοιχτής θαλάσσης αναμένεται επίσης να παράγουν περισσότερη ενέργεια, αφού μπορούν να φιλοξενήσουν μεγαλύτερες ανεμογεννήτριες και έτσι αυτό κατεβάζει το τελικό κόστος ανά MWh. Αυτή τη στιγμή αυτό διερευνάται στο SWAY και επικεντρώνεται σε 10 MW ανεμογεννήτριες για πλωτές βάσεις και από το σχέδιο ΕΕ HiPRwind - ένα πενταετές πρόγραμμα, χρηματοδοτούμενο από το Ευρωπαϊκό Πρόγραμμα-Πλαίσιο, με μεγάλες πλωτές ανεμογεννήτριες ανοιχτής θαλάσσης. Η EWEA Υπεράκτια Αιολική βιομηχανία Ομάδα Εργασίας (OWIG) έχει αξιολογήσει το κόστος για τα βαθιά υπεράκτια σχέδια. Έχει ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι τα περισσότερα από τα σχέδια είναι ακόμα σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης και ότι ορισμένα σχέδια (όπως Hexicon) δεν εμπίπτουν στις συνήθεις κατηγορίες με μία ανεμογεννήτρια σε μια πλωτή βάση. Αυτοί περιλαμβάνουν άλλες μορφές ενέργειας όπως η κυματική ενέργεια. Για την αξιολόγηση των οικονομικών των πλωτών σχεδιασμών, η EWEA εκτελεί μια σύγκριση με jacket foundations, τα τεχνικά χαρακτηριστικά του οποίου επιτρέπουν την εγκατάσταση σε νερό βάθους έως m. Τα ευρήματα δείχνουν ότι τα πλωτά υπεράκτια αιολικά σχέδια είναι ανταγωνιστικά υπό τους όρους της LCOE με τα υπάρχοντα jacket foundations από περίπου 50m βάθος νερού. Ο υπεράκτιος κλάδος αφήνει σταδιακά τα ρηχά νερά πίσω. Τα βαθιά υπεράκτια σχέδια, μολονότι είναι σε νηπιακό στάδιο, δεν είναι μόνο καινοτόμα αλλά και ανταγωνιστικά όταν είναι σε βάθος νερού άνω των 50m. Είναι εφικτή η ανάπτυξη τους και η υπεράκτια αιολική βιομηχανία πρέπει να συνεχίσει να επενδύει για να βελτιστοποιηθεί η αξιοποίηση αυτού του ευρέως διαθέσιμου θαλάσσιου πόρου σε προσιτό κόστος της ενέργειας Η Ευρωπαϊκή αιολική βιομηχανία έχει προετοιμαστεί για αυτό, επενδύοντας σημαντικά περισσότερο από το μέσο όρο για όλους τους άλλους τομείς της οικονομίας της ευρωπαϊκής ένωσης. Στο 2O1O, οι δαπάνες ήταν 5,1 % του τζίρου της βιομηχανίας, σε σύγκριση με το σύνολο των δαπανών της οικονομίας που ήταν 2,1 %. Αυτή η δέσμευση είναι ακόμα πιο εντυπωσιακή μεταξύ των κατασκευαστών των ανεμογεννητριών, οι οποίοι αναφέρουν ότι οι δαπάνες για το έτος 2010 είναι πάνω από 10 %. Οι προσπάθειες αυτές πρέπει να υποστηριχθούν από εθνικά και ευρωπαϊκά 40

41 προγράμματα, για να επιταχύνουμε την εξέλιξη των καινοτόμων τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένων και βαθιά υπεράκτια σχέδια Σταθερότητα και σαφήνεια του νομοθετικού πλαισίου Η ρυθμιστική αβεβαιότητα είναι το κύριο μη-τεχνολογικό εμπόδιο που απειλεί την ανάπτυξη για βαθιά υπεράκτια αιολικά πάρκα. Αν και η τεχνολογία είναι ακόμη στα σπάργανα με μόνο δύο πλήρους κλίμακας πλωτά συστήματα συνδεδεμένα με το δίκτυο, τα βαθιά υπεράκτια σχέδια είναι ταχύτατα αναπτυσσόμενα με δυνατότητες εμπορευματοποίησης τα επόμενα πέντε με έξι χρόνια. Η υπεράκτια αιολική βιομηχανία επενδύει σημαντικά σε R&D και σήμερα μόνο στην Ευρώπη, περίπου 25 έργα βρίσκονται υπό εξέλιξη, εκτός από τα συνδεδεμένα με δίκτυο. Ωστόσο, η βαθιά υπεράκτια αιολική ανάπτυξη εξαρτάται από πολλούς παράγοντες και καθορίζεται σε ένα σταθερό και σαφές κανονιστικό πλαίσιο μετά το Μολονότι οι θάλασσες και οι ωκεανοί της Ευρώπης προσφέρουν τεράστιες ευκαιρίες για καινοτομία, ανάπτυξη και απασχόληση, η υπόσχεση δεν θα υλοποιηθεί χωρίς μια δυναμική ατζέντα σε εθνικό και ευρωπαϊκό επίπεδο. Η Ευρωπαϊκή Ένωση και τα κράτη μέλη όχι μόνο θα πρέπει να επιτύχουν τους στόχους μέχρι το 2020, αλλά και να δεσμευθούν σε ένα στόχο για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ως το Αυτό σε συνδυασμό με την προσαρμοσμένη αγορά και τα ρυθμιστικά πλαίσια για βαθιά υπεράκτια αιολικά πάρκα θα δημιουργήσουν την απαραίτητη εμπιστοσύνη για τη βιομηχανία και τους οικονομικούς παράγοντες Θαλάσσια χωροταξία Η χωροταξία είναι ένα βασικό στοιχείο του κανονιστικού πλαισίου. Αυξημένη δραστηριότητα εντός των θαλάσσιων υδάτων της Ευρώπης, οδηγεί στο να αυξηθούν οι χωρικές απαιτήσεις και επομένως αυξάνεται ο ανταγωνισμός μεταξύ θαλασσίων χρηστών. Η ανάπτυξη των υπεράκτιων πάρκων συχνά καθυστερεί λόγω αλληλοσυγκρουόμενων χρήσεων, των ομάδων συμφερόντων και των κανόνων από διάφορους τομείς και δικαιοδοσιών. Αυτό δημιουργεί ανασφάλεια, αυξάνει τους κινδύνους για τις καθυστερήσεις ή αδυναμία κατασκευής των υπεράκτιων αιολικών έργων και βλάπτει τον τομέα του αναπτυξιακού δυναμικού. Η απόφαση για την πραγματοποίηση θαλάσσιας χωροταξίας (MSP) και να αφιερώσουν ζώνες για υπεράκτιες αιολικές εξελίξεις και διασυνδέσεις ηλεκτρισμού συνεπώς στέλνει θετικά μηνύματα για τη βιομηχανία. Η χωροταξία παρέχει σταθερότητα και σαφήνεια για τους επενδυτές καθώς και συμβάλλει στη μείωση κόστους του έργου. Αν και ορισμένες ευρωπαϊκές χώρες έχουν σήμερα ορίσει αποκλειστικές υπεράκτιες περιοχές, οι περισσότερες χώρες χρησιμοποιούν τις υφιστάμενες θαλάσσιες πολεοδομικές διατάξεις, οι οποίες μπορούν να καθυστερήσουν σημαντικά τα έργα. Ως αναπτυσσόμενη και μοναδική πηγή ενέργειας, τα υπεράκτια αιολικά πάρκα συχνά αποκλείονται από το νομοθετικό πλαίσιο. Καθυστερήσεις μπορεί να αυξήσουν το κόστος των υπεράκτιων αιολικών πάρκων σημαντικά και ο αποτελεσματικός προγραμματισμός θα επιτρέψει ευκολία στις διαδικασίες έκδοσης αδειών. Στην περίπτωση της βαθιάς υπεράκτιας ενέργειας, υπάρχει σαφής ανάγκη για απλοποίηση της αδειοδότησης και ελαχιστοποίηση του χρόνου που απαιτούν οι 41

42 διαδικασίες υλοποίησης. Οι κρατικοί οργανισμοί χρειάζονται επαρκή χωρητικότητα για να χειριστούν την αναμενόμενη αύξηση στα βαθιά υπεράκτια έργα. Εφόσον υπάρχει κατάλληλη χωροθέτηση στα αιολικά πάρκα και προσεκτικός χωροταξικός σχεδιασμός, το τοπικό θαλάσσιο περιβάλλον μπορεί να επωφεληθεί από την ύπαρξη των υπεράκτιων αιολικών πάρκων με πολλούς τρόπους. Για παράδειγμα, η υπερβολική αλιεία αποτελεί σοβαρή απειλή για τα ψάρια και ασπόνδυλα. Η αλιεία με τράτες, ωστόσο, περιορίζεται στο εσωτερικό των αιολικών πάρκων στις περισσότερες χώρες της ευρωπαϊκής ένωσης. Τα τμήματα των υπεράκτιων συσκευών ενέργειας που βρίσκονται προσανατολισμένα στην επιφάνεια ή κάτω από το νερό, όπως τα θεμέλια και κάβοι, μπορούν να χρησιμεύσουν ως συσκευές για την συνάθροιση των ψαριών. Αυτές ενεργούν ως τεχνητοί ύφαλοι και συμβάλουν στην αύξηση της χλωρίδας και της πανίδας. 2.3 Προκλήσεις για εμπορευματοποίηση Τεχνολογική αντίληψη του κινδύνου Η βαθιά υπεράκτια αιολική ενέργεια είναι σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης, με μόνο δύο πρόσφατα μεγάλης κλίμακας έργα συνδεδεμένα στο δίκτυο σε ολόκληρη την υφήλιο, και τα δύο στην Ευρώπη. Ανάλυση που πραγματοποιήθηκε από την ομάδα της υπεράκτιας Αιολικής βιομηχανίας στην EWEA επισημαίνει ότι το κόστος των δομών που είναι ειδικά για βαθιά νερά πρέπει να είναι συγκρίσιμο από άποψη LCOE με τις υπάρχουσες σταθερές δομές κάτω από 50m βάθος, η διαπίστωση επιβεβαιώνεται από τις κυμαινόμενες σχεδιάσεις που δοκιμάζονται αυτή τη στιγμή στην Ευρώπη. Αν και αυτά τα σχέδια θα συμβάλλουν στην μελλοντική μείωση του κόστους της ανάπτυξης σε μεγάλης κλίμακας υπεράκτια πάρκα, πρέπει να γίνουν ακόμη πολλά πριν από εμπορική κλίμακα έχει επιτευχθεί. Οι επενδυτές μπορεί να εξακολουθούν να είναι απρόθυμοι να επενδύσουν και αισθάνονται πιο άνετα με τα "γνωστά" σταθερά θεμέλια. Υπάρχει μια αυξανόμενη αντίληψη του κινδύνου που αντικατοπτρίζεται στο αυξανόμενο μέγεθος και την πολυπλοκότητα των σχεδίων και υπάρχει, επομένως, η ανάγκη για τον υπεράκτιο κλάδο να επικεντρώσει τις προσπάθειές του στην αύξηση της αξιοπιστίας της τεχνολογίας και την ελαχιστοποίηση του κόστους για να αρχίσει την εμπορευματοποίηση. Αυτό θα συμβάλει στη μείωση της αντίληψης της κοινότητας όσων αφορά τον κίνδυνο στα οικονομικά. Δημόσια υποστήριξη από το R&D για την υλοποίηση είναι το κλειδί για την ανάπτυξη της υπεράκτια τεχνολογίας, περιλαμβανομένων και των βαθιών υπεράκτιων έργων. Η R&D και υποστήριξης της καινοτομίας πρέπει να διευκολύνει όχι μόνο την ανάπτυξη της τεχνολογίας αλλά και να στραφεί στην επίδειξή της, επιτρέποντας στους προγραμματιστές και τις συνδεδεμένες εταιρείες να δοκιμάζουν νέες τεχνολογίες πριν την εμπορική ανάπτυξη. Το γεγονός αυτό θα μειώσει τους κινδύνους της ανάπτυξης και το κόστος κεφαλαίου και θα παρέχει την ευκαιρία για τον έλεγχο της αξιοπιστίας σε πραγματικό χρόνο και σε ένα "πραγματικό" περιβάλλον. Μεγάλα έργα επίδειξης με σημαντικά υψηλό κόστος υλικού και κινδύνους είναι δύσκολο να χρηματοδοτηθούν και αυτό είναι το σημείο όπου τόσο η ΕΕ όσο και οι εθνικές δημόσιες ενισχύσεις είναι απαραίτητες, για να μετριάσουν τον κίνδυνο και έτσι να προσελκύσουν ιδιωτικές επενδύσεις. Το πρόγραμμα NER300 είναι ένα καλό παράδειγμα για ένα μέσο χρηματοδότησης που διαχειρίζεται από κοινού από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή, την 42

43 Ευρωπαϊκή Τράπεζα Επενδύσεων και τα κράτη μέλη να υποστηρίξουν την επίδειξη της τεχνολογίας της βαθιάς θάλασσας και διευκολύνει τη μετακίνηση προς εμπορευματοποίηση. Για την πρώτη πρόσκληση για υποβολή προτάσεων είναι διαθέσιμο 64 εκατομμύρια με την επίδειξη των δύο υπεράκτιων αιολικών πλωτών κατασκευών, WindFloat και VertiMed Τυποποίηση και συνεργασία Ως ένας νέος τομέας, δεν υπάρχουν συγκεκριμένα πρότυπα προσαρμοσμένα στους βαθιούς υπεράκτιους σχεδιασμούς. Οργανισμοί πιστοποίησης έχουν αντιμετωπίσει το ζήτημα με την ανάμειξη υπεράκτιων αιολικών πάρκων με σταθερά-θεμέλια και υπεράκτια πρότυπα πετρελαίου και αερίου. Ωστόσο, αυτό έχει οδηγήσει σε περιττές δομές (συμπληρωματικά και μη απαραίτητα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά για την ασφάλεια) και, συνεπώς, η συνολική αύξηση του κόστους. Νέα πρότυπα πρέπει να αναπτυχθούν ειδικά για επιπλέοντα συστήματα. Αυτά είναι απαραίτητα για να καταλήξουμε σε εμπορική ωριμότητα. Σήμερα αυτά τα πρότυπα είναι υπό ανάπτυξη από πολλούς φορείς, όπως Det Norske Veritas (DNV), Διεθνής Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή (IEC) και American Bureau of Shipping (ABS). Επιπλέον, η συνεργασία μεταξύ των διαφορετικών αλυσίδων εφοδιασμού είναι σημαντική, ιδιαίτερα για την ανάπτυξη των σχεδιασμών βαθιάς θάλασσας. Είναι απαραίτητο να υιοθετηθεί μία ολοκληρωμένη προσέγγιση για τις διασυνδέσεις μεταξύ του R&D και της βιομηχανίας. Αυτό θα βοηθήσει να ανατηχθούν αξιόπιστοι, πρωτοποριακοί και εμπορεύσιμοι σχεδιασμοί. Ισχυρή συνεργασία μεταξύ των διαφόρων φορέων (ενίοτε και ανταγωνιστές) θα πρέπει να ενθαρρυνθούν μέσω νέων έργων εταιρικών σχέσεων. Ανταλλαγή εμπειριών, διδαγμάτων και δεδομένων είναι κρίσιμη και θα αποδειχθεί επωφελής για όλους τους ενδιαφερόμενους. Η Ευρωπαϊκή Πρωτοβουλία ανέμου (EWI), με το δίκτυο και το R&D φόρουμ TP Wind, έχει αποδειχθεί ότι είναι μια καλή πλατφόρμα για να λάβει η αιολική βιομηχανία και η βαθιά υπεράκτια βιομηχανία το επόμενο στάδιο. Θα πρέπει να είναι συνεχής και επαρκής η χρηματοδότηση που χορηγείται για να εξασφαλισθεί η εφαρμογή της. 43

44 Επειδή τα πλωτά αιολικά τμήματα έχουν πολλά κοινά με το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο που επίσης βρίσκεται σε πλωτά τμήματα, μεταφορά της γνώσης μεταξύ των δύο τομέων θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη και να προωθείται. Αυτή η συνεργασία θα μπορούσε να πλαισιωθεί από μια ευρωπαϊκή βιομηχανική στρατηγική για την αιολική ενέργεια που να συντονίζεται από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή ΓΔ Enterprise. Ενισχυμένη από τις βιομηχανικές στρατηγικές που αναπτύσσονται σε εθνικό και περιφερειακό επίπεδο, η στρατηγική θα μπορούσε να αποτελέσει ένα ολοκληρωμένο όραμα για την υπεράκτια αιολική ανάπτυξη του τομέα, και θα μπορούσαν να περιέχουν μια βαθιά υπεράκτια στοιχεία. Η επιτροπή θα αποτελείται από τέσσερις ροές εργασίας: τεχνολογική καινοτομία, αλυσίδα επέκτασης τροφοδοσίας, τις δεξιότητες και τη χρηματοδότηση. Θα επικεντρωθεί στην μείωση του κόστους, η οποία θα ενσωματώνει τις ειδικές τεχνικές, οικονομικές και πολιτικές συστάσεις για βαθιά υπεράκτια σχέδια. Hywind Design name Company Manufacturer Type of floater Turbine capacity Prototype installed Hywind Statoil Siemens Spar-buoy 2.3 MW (prototype) 3-7 MW (commercial) 2009, West coast of Norway Commercial installation Origin Norway Ο Hywind σχεδιασμός αποτελείται από μια λεπτή, κυλινδρική δομή. Η spartype πλατφόρμα έχει χαμηλό επίπεδο υδάτων που ελαχιστοποιεί το επαγόμενο κύμα φόρτωσης, και μια απλή κατασκευή που ελαχιστοποιεί κόστος παραγωγής. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί με οποιοδήποτε είδος υπεράκτιας ανεμογεννήτριας. Το σύστημα αγκυροβόλησης αποτελείται από τρία σκοινιά πρόσδεσης που συνδέονται με την κατασκευή μέσω κονταριών για να αποφεύγεται η υπερβολική περιστροφή γύρω από τον κατακόρυφο άξονα (κίνηση εκτροπής από την κατακόρυφο). Το σύστημα αγκυροβόλησης διαθέτει εγγενή χαρακτηριστικά εφεδρείας σχεδιασμού, με επαρκές απόθεμα αντοχής σε περίπτωση αποτυχίας των καλωδίων. Η 2,3 MW Hywind κατασκευή εγκαταστάθηκε στη Νορβηγία το 2009 η πρώτη στον κόσμο πλήρους κλίμακας πλωτή ανοιχτής θαλάσσης ανεμογεννήτρια. Η μονάδα βρίσκεται σε νερό βάθους 200m, 10χλμ από τη Νορβηγία στην δυτική ακτή. Έχει ελεγχθεί διεξοδικά μετά την πρώτη και δεύτερη χρόνια στην λειτουργία, και δεν υπάρχουν ενδείξεις φθοράς, ζημιάς ή φθοράς που να έχουν αναφερθεί. Η Statoil τώρα θεωρεί ότι η σχεδίαση είναι τεχνικώς επαληθεύσιμη. Ο σχεδιασμός έχει βελτιστοποιηθεί για υλοποίηση με multi-mw ανεμογεννήτριες με 3 MW έως 7 MW εμβέλεια. Το επόμενο βήμα θα είναι η δοκιμή του σχεδιασμού σε μια πρότυπη φάρμα με τέσσερις έως πέντε μονάδες. 44

45 WindFloat Design name Company Manufacturer Substructure Turbine capacity WindFloat Principle Power, EDP, Repsol Vestas Semi-submersible 2 MW (prototype) 5-7 MW (commercial) 2011, Portugal Prototype installed Commercial installation 2017 Origin Portugal Ο WindFloat σχεδιασμός αποτελείται από μια ημι-υποβρύχια πλατφόρμα εξοπλισμένη με πλάκες για την παγίδευση νερού στη βάση της κάθε στήλης. Η πλάκα βελτιώνει την απόδοση κίνησης του συστήματος σημαντικά λόγω της απόσβεσης και λόγω της επίδρασης που παρασύρεται το νερό. Αυτή η σταθερότητα απόδοσης επιτρέπει τη χρήση την τεχνολογίας των υφιστάμενων εμπορικών ανεμογεννητριών. Επιπλέον, η WindFloat του κλειστού βρόχου κατασκευή μετριάζει τον μέσο όρο των δυνάμεων του ανέμου που προκαλεί ωστικές δυνάμεις. Αυτό το δευτερεύον σύστημα εξασφαλίζει τη βέλτιστη ενεργειακή απόδοση μετατροπής μετά από αλλαγές στην ταχύτητα του ανέμου και κατευθύνσεις. Το σύστημα αγκυροβόλησης χρησιμοποιεί συμβατικά στοιχεία όπως η αλυσίδα από πολυεστέρα και γραμμές για την ελαχιστοποίηση κόστους και της πολυπλοκότητας. Μέσω της χρήσης των προ-τοποθετημένων ενσωματωμένων αγκυρών, η προετοιμασία του χώρου και οι επιπτώσεις θα ελαχιστοποιηθούν. Από το 2011, WindFloat εγκαταστάθηκε ανοικτά των ακτών της Πορτογαλίας. Εξοπλισμένο με 2 MW ανεμογεννήτριες Vestas, η εγκατάσταση άρχισε να παράγει ενέργεια από το Το επόμενο βήμα θα είναι να οικοδομήσουμε μια 27MW συστοιχία στην Πορτογαλία. Ένα άλλο 30 MW έργο επίδειξης είναι επίσης σχεδιασμένο από το Όρεγκον στον Ειρηνικό Ωκεανό. 45

46 Design name Company Substructure Blue H TLP Turbine capacity Blue H TLP Blue H Submerged deepwater platform Commercial installation MW (commercial) Prototype installed 2015 Origin Netherlands Η βυθισμένη πλατφόρμα βαθέων υδάτων αποτελείται από ένα κοίλο σώμα. Αυτό παρέχει την άνωση, και κρατούνται «ημι- βυθισμένα» κάτω από το νερό με αλυσίδες ή σχοινιά που συνδέουν το επιπλέον σώμα με ένα αντίβαρο που βρίσκεται στον πυθμένα της θάλασσας. Με το επιπλέον σώμα που βρίσκεται ημι-βυθισμένο στο νερό, η αναγκαία δύναμη ανόδου δημιουργείται, διατηρώντας οι αλυσίδες συνεχώς τεντωμένες. Το 2007, Blue H τεχνολογία εγκατέστησε την πρώτη δοκιμαστική πλωτή ανεμογεννήτρια στην Ιταλία. Παρήγαγε 80 kw και μετά από ένα χρόνο δοκιμών και συλλογή των δεδομένων τέθηκε εκτός λειτουργίας. Η Blue H μηχανική τώρα εκτελεί την σχεδίαση, μηχανικά έργα και των συναφών της εφαρμοσμένης έρευνας για την ανάπτυξη ενός γενικού 5 MW μοντέλου, βασίζεται σε δοκιμασμένη Tension Leg Platform τεχνολογία. Αυτό θα προσφέρει μια πιο σταθερή πλατφόρμα για εμπορικά διαθέσιμες 5 έως 7 MW ανεμογεννήτριες. Η κατασκευαστική είναι προγραμματισμένη για το έτος 2015 και το εμπορικό μοντέλο είναι προγραμματισμένο για

47 Floating Haliade 150 Design name Company Manufacturer Substructure Turbine capacity Floating Haliade Alstom Alstom Tension Leg Buoy (for water depths between 50m-80m) Tension Leg Platform (for water depths between 80m-300m) 6 MW Η Alstom έχει αναπτύξει τα επιπλέοντα Haliade MW που βασίζεται σε μια πιο σταθεροποιητική έννοια. Οι πιο κατάλληλες διαμορφώσεις TLB για βάθη νερού μεταξύ 50m και 80m, ή TLP για βάθη νερού μεταξύ 80m και 300m. Η Alstom R&D δραστηριότητα ξεκίνησε με το Azimut Offshore Wind Energy 2020 Project [ ], από κοινού με Acciona & η Gamesa, και με στόχο την ανάπτυξη τεχνογνωσίας για την κατασκευή μεγάλης κλίμακας θαλάσσιων ανεμογεννητριών και ανάπτυξη 15 MW υπεράκτιων πλωτών ανεμογεννητριών ξεπερνώντας οικονομικά και τεχνικά προβλήματα. Μια εταιρική σχέση μεταξύ b_tech και το MIT έχει αναπτύξει την τεχνογνωσία με model tension leg platforms (TLP's) και αναπτύσσοντας ισχυρά και αξιόπιστα εργαλεία για σχεδιασμό TLPs. Η επιδότηση έχει χορηγηθεί από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ για να εργαστούν για την ενεργειακή μείωση κόστους μέσω προηγμένων στρατηγικών ελέγχου για την ενεργειακή βελτίωση. 47

48 WINFLO Design name Wind turbine with INnovative design for Floating Lightweight offshore Company Nass & Wind, DCNS and Vergnet Type of floater Semi-submersible Turbine capacity 1 MW (prototype) 2.5 MW (commercial) Prototype installed 2013 Commercial installation 2016 Origin France Το έργο περιλαμβάνει μια πλωτή εξέδρα, που βασίζεται σε ένα ημι-υποβρύχιο συγκρότημα, με μια ανεμογεννήτρια ειδικά σχεδιασμένη για υπεράκτιες πλωτές προδιαγραφές (συνθήκες θάλασσας και κυμάτων ) και ένα σύστημα στερέωσης με λίγους περιορισμούς κατάλληλο για όλους τους τύπους του βυθού. Μετά από δύο περιόδους της επιτυχημένων δοκιμών (το έτος 2010 & του 2011), το Winflo θα δοκιμαστεί σε συνθήκες θαλάσσης έως το Μετά από έναν χρόνο δοκιμαστικής περιόδου, θα πρέπει να ακολουθήσει από μία φάρμα που θα κατασκευαστεί το Το μηχάνημα θα κατασκευαστεί και διατίθενται στο εμπόριο από το 2016 και μετά. Το πρόγραμμα συντονίζεται από Nass & Wind Industrie, ένα σημαντικό παράγοντα στον υπεράκτιο αιολικό τομέα, σε στενή εταιρική σχέση με DCNS, μια διεθνή ναυπηγική και ναυτική εταιρεία ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, και Vergnet, έμπειροι στην κατασκευή γεννητριών για αντίξοα περιβάλλοντα. Η κοινοπραξία περιλαμβάνει επίσης δύο έμπειρους επιστημονικοί συνεργάτες: IFREMER (Sea Research Institute) και το πανεπιστήμιο ENSTA-Bretagne. 48

49 PelaStar Design name PelaStar Company The Glosten Associates Substructure Tension-leg turbine platform Turbine capacity 1:50 (demonstration/pilot) 2.5 MW (commercial) Demonstration/pilot 2011 Commercial installation Origin United States PelaStar είναι ένα σύστημα με tension-leg platform (TLP) τεχνολογία. Χρησιμοποιούνται ευρέως στην υπεράκτια βιομηχανία πετρελαίου και αερίου, και είναι προσαρμοσμένες για την υπεράκτια αιολική βιομηχανία. Τα χαρακτηριστικά του PelaStar περιλαμβάνουν: Η απλότητα του σχεδιασμού - βελτιστοποιημένη χαλύβδινη δομή χωρίς μηχανικά μέρη. Ελάχιστες οι κινήσεις και οι επιταχύνσεις στην τουρμπίνα - δεν υπάρχουν ταλαντώσεις που να υποβαθμίζουν την απόδοση και να αυξάνουν τη φθορά των εξαρτημάτων. Η αποδοτική αποβάθρα, η διάταξη ανεμογεννητριών, και μερική λειτουργία μειώνει την υπεράκτια εργασία, τις καθυστερήσεις λόγω καιρικών συνθηκών, και την ανάγκη για δαπανηρό υπεράκτιο εξοπλισμό. Οι τένοντες, τους με κατακόρυφο προσανατολισμό ως προς τον κορμό, δημιουργούν ένα μικρό εμβαδόν βάσης που μειώνει τον κίνδυνο της υποβρύχιας παρεμβολής. Η Τεχνολογία επικεντρώθηκε στη μείωση του κόστους της ενέργειας που έχει παραχθεί από το χαμηλότερο κόστος κεφαλαίου για επιπλέοντες σχεδιασμούς. Το TLP PelaStar είναι σχεδιασμένη να υποστηρίζει 5 MW έως 10 MW ανεμογεννήτριες στα 50m και 200m νερό βάθη. Μοντέλο δοκιμής σε κλίμακα 1:50 ολοκληρώθηκε το έτος Μια πλήρους κλίμακας, 6 MW ανεμογεννητριών επίδειξης είναι προγραμματισμένη για το

50 Design name Company Substructure IDEOL Turbine capacity IDEOL IDEOL Demonstration/pilot 2014 Origin Concrete floater 5-6 MW (prototype) France Βασισμένο σε ένα συγκεκριμένο σκελετό ενσωματωμένο σε συνεργασία με μεγάλες μηχανικές εταιρείες κατασκευής, η IDEOL περιλαμβάνει κλίμακα από μικρά έως πολύ μεγάλα αιολικά πάρκα. Επιτόπου κατασκευή, που χρησιμοποιούνται ευέλικτες μέθοδοι κατασκευής, ανάλογα με τις επιλογές που υπάρχουν στην τοποθεσία και τις τοπικές προμήθειες. Η IDEOL ανέπτυξε και την κατοχυρωμένη πατέντα, το Damping Pool σύστημα. Η πλατφόρμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οποιαδήποτε αγορά υπεράκτιων ανεμογεννητριών, χωρίς τροποποίηση. Damping Pool επιτρέπει μείωση των κινήσεων της πλατφόρμας με τη χρήση των υδροδυναμικών ιδιοτήτων της μάζας του νερού που είναι εγκλωβισμένο σε μια κεντρική κοιλότητα. Οι ταλαντώσεις αντιτίθενται, από το σχεδιασμό της, στη διεγερτική δύναμη που δημιουργείται από τα κύματα. IDEOL συνεργάζεται αυτή τη στιγμή με τους εταίρους σχετικά με την κατασκευή και την εγκατάσταση μέχρι το έτος

51 Hexicon Energy Design Design name Company Hexicon Energy Design Hexicon Substructure Capacity Floater 54 MW (wind) 15 MW (wave) Commercialisation Origin Sweden Η Hexicon Energy Design βασίζεται σε μια πλωτή πλατφόρμα που ενσωματώνει υπάρχουσες και επαληθευμένες υπεράκτιες τεχνολογίες και εφαρμογές. Οι πύργοι είναι εγκατεστημένοι απευθείας επάνω στην πλατφόρμα. HiPRwind EU project Design name Coordinator HiPRwind EU project Fraunhofer IWES Programme Framework Programme 7 Budget 19.8m (EU support: 11m) Period Origin Europe Το έργο HiPRwind είναι μια δημιουργική και δοκιμαστική καινοτομία με αποδοτικές προσεγγίσεις για βαθέων υδάτων υπεράκτιες εξελίξεις αιολικής ενέργειας. Προκειμένου να αποκτήσει πραγματική εμπειρία στη θαλάσσια και δεδομένα, μια πλήρως λειτουργική επιπλέουσα ανεμογεννήτρια θα πρέπει να αναπτυχθεί σε ένα χώρου δοκιμών στις ακτές της Ισπανίας και να χρησιμοποιηθεί ως πλατφόρμα 51

52 δοκιμών. Αυτή η εγκατάσταση είναι περίπου στις 1:10 στην κλίμακα των μελλοντικών εμπορικών πλωτών αιολικών συστημάτων για υπεράκτια πάρκα. Ως η πρώτη στον κόσμο μεγάλης κλίμακας, προσέφερε πρόσβαση στην θαλάσσιας έρευνας και στις δοκιμές, HiPRwind θα διευκολύνει τη μελέτη νέων επιπλεόντων σχεδιασμών, μεθόδων εγκατάστασης και τον έλεγχο μηχανικών λύσεων. R&D περιλαμβάνει υψηλή αξιοπιστία τροφοδοσίας ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, νέες τεχνολογίες για μεγάλες γεννήτριες, συστήματα ελέγχου. Ο ενσωματωμένος ενεργός έλεγχος θα μειώσει τα δυναμικά φορτία της πλατφόρμας για εξοικονόμηση βάρους και κόστους σε σύγκριση με τα υπάρχοντα σχέδια. ZEFIR Test Station Design name Sponsors Greenpower, Origin ZEFIR Test Station IREC, Alstom, Enel Gas Natural Fenosa, Acciona, Barlovento, COMSA EMTE, EDP, Enerfin, Elenor Energias Renovables, FCC, Gamesa, Iberdrola, Renovis, Siemens, Vortex Spain Ο ZÈFIR Test Station είναι μια διεθνής ερευνητική εγκατάσταση που θα χρησιμοποιηθεί για τη δοκιμή των υπεράκτιων ανεμογεννητριών σε βαθιά ύδατα. Βρίσκεται κοντά στις ακτές της Ametlla de Mar και θα κατασκευαστεί σε δύο φάσεις. Η πρώτη θα αποτελείται από την εγκατάσταση το πολύ τεσσάρων ανεμογεννητριών 52

53 σε απόσταση 3,5 χλμ. από την ακτή, με συνολική ισχύ εξόδου μεγαλύτερη των 20 MW, ενώ η δεύτερη θα περιλαμβάνει κατ' ανώτατο όριο οκτώ πλωτές ανεμογεννήτριες που θα εγκατασταθούν περίπου 30 χιλιόμετρα από την ακτή, που από κοινού θα προσφέρει μέγιστη ισχύς εξόδου 50 MW. Στόχοι Να μειωθεί το κόστος για την κατασκευή των υπεράκτιων αιολικών πάρκων και την ανάπτυξη τεχνολογιών που θα τους επιτρέπουν να εγκατασταθεί σε βαθιά ύδατα Για να διεξάγουν έρευνα για αυτές τις εφαρμογές Για να αυξηθεί η κατανόηση της επιστήμης και της τεχνολογίας πίσω από την αιολική ενέργεια από το βιομηχανικό τομέα που σχετίζονται με τα ερευνητικά κέντρα που συμμετέχουν. Για να δημιουργήσει νέες ευκαιρίες για τις επιχειρήσεις που συμμετέχουν στο σχέδιο. Για τη δημιουργία μιας διεθνούς κέντρου μπορεί να προσελκύσει επενδύσεις από τον τομέα. Για να δημιουργήσουμε ένα περιβάλλον για προαγωγή πανεπιστημιακών προγραμμάτων κατάρτισης που προσελκύουν άτομα σε R&D. Για να εξασφαλιστεί ότι η Καταλονία και Tarragona, ειδικότερα, να γίνει ένας διεθνής διανομέας για υπεράκτια αιολική ενέργεια. Για να αυξηθεί η ευαισθητοποίηση για το έργο τις επιπτώσεις στο περιβάλλον και τη θέση της περιοχής του Κόλπου του Sant Jordi", απέναντι από τις ακτές της L'Ametlla de Mar. Η πρώτη φάση του έργου ZÈFIR θα επιτρέψει Ισπανικές κατασκευαστικές για τη δοκιμή των πρωτοτύπων υπεράκτιων ανεμογεννητριών, με το πλεονέκτημα της εύκολης πρόσβασης που θα βρίσκεται σχετικά κοντά στην ακτή Phase 1 Phase 2 Water depth 40m 100m Distance from coast 3km 30km Number of wind turbines 4 8 Power installed 20 MW 50 MW Type of foundation Piled/GBS Floating 53

54 54

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 3.1 Άνεμος Οι άνεμοι αποτελούν κίνηση αέριας μάζας στην ατμόσφαιρα που προκαλείται από την ηλιακή ακτινοβολία. Ειδικότερα είναι αποτέλεσμα των θερμοκρασιακών διαφορών που δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα είτε λόγω γεωγραφικού πλάτους είτε λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης. Οι διαφορετικές γεωγραφικές θερμοκρασίες οφείλονται σε δύο κυρίως παράγοντες : α) στην υψομετρική διαφορά μεταξύ δύο σημείων και β) την διαφορετική φύση της επιφάνειας (έδαφος ή νερό). Οι άνεμοι που δημιουργούνται λόγω διαφορετικού γεωγραφικού πλάτους είναι φαινόμενα σχεδόν σταθερά ή μεταβλητά με μεγάλη περίοδο μεταβολής ( εποχιακά ) καθώς επηρεάζονται από την περιστροφή της γης γύρω από τον άξονά της. Οι άνεμοι που οφείλονται στον δεύτερο παράγοντα χαρακτηρίζονται από μικρή χρονική διάρκεια ( ωριαία ή ημερήσια ) και παρατηρούνται είτε κοντά σε ορεινούς όγκους είτε σε περιοχές κοντά σε θάλασσα όπου υπάρχει διαφορετικός βαθμός θέρμανσης ή ψύξης του εδάφους και του υδάτινου όγκου. 55

56 3.1.1 Η κατανομή ταχύτητας του ανέμου Η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να αντιμετωπιστεί σαν μια συνεχής τυχαία μεταβλητή. Η πιθανότητα να εμφανιστεί για κάποια τιμή της ταχύτητας του ανέμου, μπορεί να περιγραφεί από μια συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας. Υπάρχουν πολλές σχέσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν πως κατανέμεται η ταχύτητα του ανέμου. Οι πιο κοινές είναι οι κατανομές Weibull και Rayleigh. Η κατανομή Rayleigh είναι υποσύνολο της κατανομής Weibull και περιγράφεται ως εξής f (v) = k c (v c )k 1 e (v/c)k (3.1) όπου f (v) είναι η πυκνότητα της πιθανότητας v k c η ταχύτητα του ανέμου η παράμετρος μορφής η παράμετρος κλίμακας Η κατανομή Rayleigh είναι μια άλλη κατανομή, η οποία αποτελεί υποσύνολο της κατανομής Weibull και προκύπτει για k=2. Η κατανομή αυτή είναι πιο εύχρηστη, διότι είναι πιο απλή από την κατανομή Weibull. Εξαρτάται μόνο από την μέση ταχύτητα του ανέμου και περιγράφει με ικανοποιητική ακρίβεια το φαινόμενο. Στο σχήμα βλέπουμε την κατανομή Rayleigh για διαφορετικές τιμές της παραμέτρου κλίμακας. 56

57 3.1.2 Η ισχύς του ανέμου Η μηχανική ισχύς που απορροφάται από τον άνεμο σε μια ανεμογεννήτρια είναι ανάλογη του κύβου της ταχύτητας του ανέμου (κυβικός νόμος) και δίνεται από την ακόλουθη σχέση: Pm = 1 2 ρ Α Cp v3 (t) (3.2) όπου: p A Cp v η πυκνότητα του αέρα η επιφάνεια σάρωσης της ανεμογεννήτριας ο συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος η ταχύτητα του ανέμου Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος Cp είναι το ποσοστό της εκμεταλλευόμενης ισχύος του ανέμου από την ανεμογεννήτρια. Είναι συνάρτηση δύο μεταβλητών του β και του λ και δίνεται από την ακόλουθη προσεγγιστική σχέση: Cp ( λ,β ) = 0.22 ( 116 λi 0.4β 5 ) e 12.5 λi (3.3) όπου: β λ λi το βήμα του πτερυγίου ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου (tip-speed ratio) δίνεται από την σχέση: 1 = λi λ+0.08β β 3 +1 (3.4) Ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου εκφράζει τη γραμμική ταχύτητα στο άκρο του πτερυγίου ως ποσοστό της ταχύτητας του ανέμου και δίνεται από την σχέση: 57

58 όπου: λ = ω r R v (3.5) ωr R v η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του ρότορα η ακτίνα του πτερυγίου η ταχύτητα του ανέμου Το ανώτατο θεωρητικό όριο του συντελεστή Cp καλείται όριο του Betz και δίνεται από τη παρακάτω σχέση: Cpmax = (3.6) Στη πράξη όμως το όριο αυτό είναι πολύ χαμηλότερο και εμφανίζεται για: β = 0 (3.7) οπότε προκύπτει: λopt = (3.8) και Cpopt = (3.9) Αυτές οι τιμές είναι σημαντικές διότι χρησιμοποιούνται στον έλεγχο στροφών όταν βρισκόμαστε στην περιοχή μέγιστης παραγόμενης ισχύος. 58

59 3.1.3 Μοντελοποίηση ιδανικού κιβωτίου ταχυτήτων Ο έλικας περιστροφής και ο δρομέας της γεννήτριας συνδέονται μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων με λόγο μετασχηματισμού ng. Ο έλικας περιστροφής και ο δρομέας της γεννήτριας αποτελούν το στρεφόμενο μηχανικό μέρος του ανεμοκινητήρα. Κατά την μοντελοποίησή του θεωρούμε μοντέλο δύο μαζών (δίσκων) με ροπές αδράνειας Jrot και Jgen. Στην παρακάτω ανάλυση η δυσκαμψία του άξονα Ksh και η ροπή του άξονα Tsh δεν λαμβάνονται υπόψη. τύπο: Η σχέση μεταξύ των ταχυτήτων περιστροφής των δύο μαζών δίνεται απο τον ωgen = ωr = ng ωrot (3.10) Από την οποία προκύπτει ότι οι ροπές συνδέονται από την σχέση ng Tgen = ng Tm = Trot (3.11) Αν παραγωγίσουμε τη σχέση d d ωr (3.12) ω rot = 1 n g Άρα κατά σειρά θα ισχύει και η σχέση: 59

60 1 d Jrot n g ωr = Trot + ng Tm (3.13) Όπου: Τm η ροπή στον άξονα της γεννήτριας και ισχύει η σχέση: Jgen d ωr = Te Tm βωr (3.14) Από τις δύο τελευταίες εξισώσεις έχουμε: ( 1 n g 2 J rot + Jgen) d ωr = Te 1 n g Trot βωr (3.15) από την οποία καταλήγουμε: J d ωr = Te 1 n g Trot βωr (3.16) με την συνολική ροπή της αδράνειας στο δρομέα της γεννήτριας να δίνεται από την σχέση: J = 1 n g 2 J rot + Jgen (3.17) 3.2 Ανεμογεννήτριες Οι ανεμογεννήτριες κατασκευάστηκαν με σκοπό την εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας του ανέμου με σκοπό την παραγωγή ενέργειας. Η αιολική ενέργεια μετατρέπεται στην ανεμογεννήτρια στην αρχή σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών είναι συνεχώς εξελισσόμενη με αποτέλεσμα τη δημιουργία συνεχώς μεγαλύτερων ανεμογεννητριών όσων αφορά στην ισχύ και το μέγεθος. Η μορφή των ανεμογεννητριών έχει περάσει από πολλά στάδια στην πάροδο των χρόνων. Πριν φτάσουμε στην κλασική μορφή των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται σήμερα. Σχεδόν σε όλες τις ανεμογεννήτριες έχουν δοκιμαστεί πολλές διαφορετικές λύσεις και όσον αφορά στον αριθμό των πτερυγίων αλλά και τον προσανατολισμό του άξονα. Οι δύο βασικές κατηγορίες ανεμογεννητριών διακρίνονται ανάλογα προς τον προσανατολισμό του 60

61 άξονα τους σε σχέση με την ροή του ανέμου σε ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους κάθετο ως προς το έδαφος και κατακόρυφο ως προς τη ροή του ανέμου. Τα πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι τα εξής : Η μηχανή δεν χρειάζεται να προσανατολίζεται προς τον άνεμο για να είναι αποτελεσματική, δηλαδή μπορεί να περιστρέφεται από άνεμο που έρχεται από κάθε κατεύθυνση κάθε στιγμή, οπότε δεν απαιτείται μηχανισμός προσανατολισμού. Το γεγονός αυτό δίνει πλεονέκτημα σε μέρη που υπάρχει μεγάλη μεταβλητότητα στην κατεύθυνση του ανέμου. Η ηλεκτρική γεννήτρια μπορεί να τοποθετηθεί κοντά στο έδαφος, κάτι που συνεπάγεται μια απλή και οικονομική σχεδίαση για τον πύργο. Είναι εύκολα προσβάσιμα συστήματα και πολλές φορές δεν χρειάζεται πυλώνας στήριξης. Σε αυτές τις μηχανές ο έλεγχος βήματος πτερυγίου δεν είναι απαραίτητος όταν χρησιμοποιούνται με σύγχρονη γεννήτρια. Υπάρχουν όμως και σοβαρά μειονεκτήματα που δεν κάνουν τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα τόσο λειτουργικές, όπως: Πολλές φορές δεν είναι δυνατό να ξεκινήσουν να περιστρέφονται χωρίς εξωτερική παρέμβαση, καθώς η ροπή εκκίνησής τους είναι πάρα πολύ υψηλή. Έτσι, υποχρεωτικά σε αυτή την περίπτωση λειτουργούν αρχικά ως κινητήρες τραβώντας ρεύμα από το δίκτυο. Έχουν μικρή σχετικά απόδοση μιας και η ταχύτητα του ανέμου σε αυτά τα ύψη είναι σχετικά χαμηλή. Υπάρχουν σημεία κατά την περιστροφή τους, στα οποία η συνεισφορά του ανέμου είναι σχεδόν μηδενική. 61

62 Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους οριζόντιο ως προς το έδαφος και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Αυτή τη στιγμή παγκόσμια οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα κατέχουν το συντριπτικό μερίδιο της αγοράς. Πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα που κάνουν τόσο δημοφιλή αυτού του τύπου τις ανεμογεννήτριες είναι ότι: Δεν χρειάζονται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για ξεκινήσουν να περιστρέφονται. Εμφανίζουν υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή. Η συναρμολόγησή τους είναι ιδιαίτερα εύκολη. Μειονεκτήματα των ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα είναι τα εξής: Η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να τοποθετηθούν πάνω στον πύργο, γεγονός που κάνει την κατασκευή τους ακριβή και πιο δύσκολη. Χρειάζεται ενεργός μηχανισμός περιστροφής ή συνηθέστερα ένα ουριαίο πτερύγιο για τον προσανατολισμό στην κατεύθυνση του ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα χαρακτηρίζονται και κατηγοριοποιούνται με βάση τον αριθμό των πτερυγίων τους. Οι ανεμογεννήτριες με ένα πτερύγιο ονομάζονται μονοπτέρυγες, με δύο διπτέρυγες, με τρία τριπτέρυγες και όλες οι άλλες με περισσότερα πτερύγια από τρία ονομάζονται πολυπτέρυγες. Οι μονοπτέρυγες είναι οι φθηνότερες όλων, δεν απόκτησαν ποτέ μεγάλη δημοφιλία, είτε για αισθητικούς λόγους, είτε λόγω προβλημάτων στην εξισορρόπηση δυνάμεων της όλης κατασκευής κατά την περιστροφή τους, γεγονός που κάνει απαραίτητη αντίβαρου στην πλήμνη. Παρόμοια προβλήματα εμφανίζουν και οι διπτέρυγες ανεμογεννήτριες αν και εκεί τα 62

63 πράγματα είναι σαφώς καλύτερα. Σήμερα η συντριπτική πλειοψηφία των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται στην αγορά είναι οι τριπτέρυγες. Το βασικό πλεονέκτημα είναι ότι είναι πιο σταθερές μιας και το αεροδυναμικό φορτίο κατανέμεται ομοιόμορφα ενώ και το μηχανικό εξισορροπείται. Ο λόγος μεταξύ του συνολικού εμβαδού των πτερυγίων προς την επιφάνεια σάρωσης ονομάζεται στιβαρότητα. α) μονοπτέρυγη β) διπτέρυγη γ) τριπτέρυγη Δ) πολυπτέρυγη 63

64 3.2.2 Δομή των ανεμογεννητριών Ο άνεμος δεσμεύεται στα πτερύγια και μέση ενός άξονα μεταφέρεται η κίνηση στο κιβώτιο ταχυτήτων. Από εκεί ένας άλλος άξονας μεταφέρει την κίνηση στην γεννήτρια. Δουλειά του κιβωτίου ταχυτήτων είναι να πολλαπλασιάζει την τιμή της ταχύτητας του ανέμου που φτάνει σε αυτό από τα πτερύγια. Στη συνέχεια με τη σειρά της είναι συνδεδεμένη με έναν μετασχηματιστή προκειμένου να δίνεται σε τελικό στάδιο η επιθυμητή τάση στο σημείο σύνδεσης με το εκάστοτε τοπικό δίκτυο. 64

65 Κάνοντας μια τομή στην ανεμογεννήτρια βλέπουμε την εσωτερική διάταξη των υποσυστημάτων της που βρίσκονται κυρίως στην άτρακτο. Στο παραπάνω σχήμα διακρίνουμε : α) των άξονα χαμηλών ταχυτήτων και υψηλών στροφών, β) το κιβώτιο ταχυτήτων, γ) τη γεννήτρια, δ) το φρένο, ε) τον μηχανισμό περιστροφής της ατράκτου, στ) το μηχανισμό ελέγχου βήματος των πτερυγίων,ζ) το ανεμόμετρο, η) τον ανεμοδείκτη, και θ) τον ηλεκτρικό ελεγκτή. Για μια πιο αναλυτική περιγραφή ξεκινάμε από την πλήμνη. Η πλήμνη είναι το μηχανικό εξάρτημα στο οποίο προσαρμόζονται τα πτερύγια. Η πλήμνη συνδέεται με τον άξονα χαμηλών στροφών. Ο άξονας χαμηλών στροφών, είναι ο άξονας που συνδέει την πλήμνη με το κιβώτιο ταχυτήτων και είναι ο άξονας του ρότορα του ανεμοκινητήρα. Στη συνέχεια από το κιβώτιο ταχυτήτων ξεκινάει ένας ακόμα άξονας ο οποίος καταλήγει στη γεννήτρια. Ο άξονας αυτός ονομάζεται άξονας υψηλών ταχυτήτων και ουσιαστικά αποτελεί το δρομέα της γεννήτριας. Τέλος η γεννήτρια συνδέεται με έναν μετασχηματιστή έτσι ώστε να υπάρχει η κατάλληλη προσαρμογή της τάσης στο εκάστοτε δίκτυο. Από εκεί και πέρα υπάρχουν το ανεμόμετρο και ο ανεμοδείκτης, τα οποία είναι όργανα που μετράνε την ταχύτητα και προσδιορίζουν την κατεύθυνση του ανέμου αντίστοιχα. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται η δομή μιας ανεμογεννήτριας. Οι συνιστώσες μιας ανεμογεννήτριας θα μπορούσαν να διαιρεθούν σε τέσσερα βασικά υποσυστήματα: Τον δρομέα, συνήθως αποτελούμενο από δύο ή τρία πτερύγια, μια πλήμνη μέσω της οποίας συνδέονται τα πτερύγια με τον χαμηλής ταχύτητας κινητήριο άξονα και, μερικές φορές, υδραυλικά ή μηχανικά οδηγούμενα συστήματα συνδέσμων για τη μεταβολή του βήματος του συνόλου ή μέρους των πτερυγίων. Την άτρακτο, η οποία γενικά περιλαμβάνει ένα μετατροπέα στροφών και μία γεννήτρια, άξονες και συνδέσμους, ένα κάλυμμα για ολόκληρη την άτρακτο, και συχνά ένα μηχανικό δισκόφρενο και ένα σύστημα εκτροπής. 65

66 Τον πύργο και τη θεμελίωση που στηρίζει το δρομέα και το σύστημα μετάδοσης της κίνησης (άτρακτος). Τους ηλεκτρικούς ελεγκτές και καλωδιώσεις, καθώς και τον εξοπλισμό εποπτείας και ελέγχου Κυριότεροι τύποι ανεμογεννητριών Ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας Οι τυπικές μηχανές σταθερής ταχύτητας χρησιμοποιούν συνήθως επαγωγικές μηχανές βραχυκυκλωμένου κλωβού, και είναι συνδεδεμένες απευθείας στο δίκτυο. Ένας από τους λόγους που επιλέγεται η επαγωγική μηχανή είναι ότι είναι αξιόπιστη και συγκριτικά με άλλες πιο φθηνή. Σημαντικό μειονέκτημα είναι ότι η επαγωγική μηχανή καταναλώνει άεργο ισχύ η οποία γίνεται τόσο μεγαλύτερη, όσο αυξάνεται η παραγωγή της ενεργού ισχύος. Για να ισοσταθμίζεται η κατανάλωση αέργου ισχύος της επαγωγικής γεννήτριας έτσι ώστε να παίρνουμε συντελεστή ισχύος κοντά στη μονάδα, στο σημείο σύνδεσης με το δίκτυο χρησιμοποιείται συστοιχία παράλληλων πυκνωτών. Η επαγωγική μηχανή σαν γεννήτρια έχει επίσης μερικές μηχανικές ιδιότητες που είναι εξερετικά χρήσιμες για μια ανεμογεννήτρια. Για παράδειγμα η ολίσθηση της γεννήτριας κάνει πιο ομαλή τη σύνδεση με το δίκτυο ή ακόμη η σημαντική σθεναρότητα της έχει σαν αποτέλεσμα την καλή συμπεριφορά σε υπερφορτίσεις. Ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας Μια μηχανή μεταβλητής ταχύτητας, χρησιμοποιεί διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος προκειμένου να μεταβάλει την ταχύτητά της ανάλογα με τις αεροδυναμικές συνθήκες ενώ συνδέει τη γεννήτρια στη σταθερή συχνότητα δικτύου. Το κύριο πλεονέκτημα από αυτό είναι ότι ανάλογα προς την ταχύτητα του ανέμου προσαρμόζεται και η ταχύτητα περιστροφής της ανεμογεννήτριας έτσι ώστε να μεγιστοποιείται η πραγματική ισχύς. Επίσης, ριπές ανέμου μπορούν να επιτραπούν και έτσι να στρέψουν το ρότορα γρηγορότερα ώστε η περίσσια ενέργειας να αποθηκευτεί στη μηχανή σαν επιπλέον κινητική ενέργεια μέχρι να επανέλθει σε κανονική κατάσταση. Ένα ακόμα πλεονέκτημα είναι ότι οι συσκευές των ηλεκτρονικών ισχύος μπορούν να ελέγξουν την άεργο ισχύ προκειμένου να βελτιώσουν την ποιότητα της ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο. Η μεταβλητή ταχύτητα δίνει και ένα σαφές πλεονέκτημα σε σχέση με την ετήσια παραγωγή, μιας και είναι δυνατόν να λειτουργεί η μηχανή στη βέλτιστη ταχύτητα περιστροφής σε σχέση με τον άνεμο. 3.3 Γεννήτριες Αυτή τη στιγμή οι περισσότεροι και μεγαλύτεροι παραγωγοί ανεμογεννητριών στον κόσμο κατασκευάζουν μεταβλητής ταχύτητας ανεμογεννήτριες με έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίων. Ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος γεννήτριας είναι οι επαγωγικές γεννήτριες, ενώ σε πολύ μικρό ποσοστό που όμως τελευταία παρουσιάζει κάποιες τάσεις αύξησης χρησιμοποιούνται σύγχρονες γεννήτριες με μόνιμο μαγνήτη. Σήμερα στη διεθνή αγορά των ανεμογεννητριών κυρίαρχος τύπος 66

67 ανεμογεννήτριας ( σε ποσοστό μεγαλύτερο του 70%) είναι αυτός με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG), με μεταβλητή ταχύτητα και μεταβλητό έλεγχο γωνίας κλίσης των πτερυγίων. Γενικά για ισχείς της τάξεις των MW, μια ανεμογεννήτρια μπορεί να εξοπλιστεί με οποιαδήποτε τριφασική γεννήτρια. Όλοι οι γενικοί τύποι γεννητριών μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ανεμογεννήτριες, δηλαδή : Ασύγχρονες ( επαγωγικές) γεννήτριες o Επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) o Επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) Σύγχρονες γεννήτριες o Σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη (PMSG) o Σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) Παρακάτω φαίνεται η τοπολογία μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών με σύγχρονη ή επαγωγική γεννήτρια Σύγχρονη Γεννήτρια Η σύγχρονη γεννήτρια είναι πολύ πιο ακριβή και μηχανολογικά πολύ πιο πολύπλοκη από μια επαγωγική γεννήτρια αναλόγου μεγέθους. Εμφανίζεται όμως πλεονεκτική σε σύγκριση με την επαγωγική γεννήτρια δεδομένου ότι το ρεύμα μαγνήτισης δεν δημιουργείται από το κύκλωμα του στάτη. Το μαγνητικό πεδίο στις σύγχρονες γεννήτριες μπορεί να δημιουργηθεί με τη χρήση μόνιμων μαγνητών, ή συμβατικών τυλιγμάτων στο δρομέα. Αν μάλιστα η σύγχρονη γεννήτρια έχει έναν κατάλληλο, μεγάλο αριθμό πόλων μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων. Η σύγχρονη μηχανή είναι πιθανότατα η πιο κατάλληλη για έλεγχο πλήρους ισχύος μιας και συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Ο μετατροπέας έχει δύο στόχους. Αφενός να κάνει απόσβεση των διαταραχών ισχύος που οφείλονται στις ριπές του ανέμου και επίσης των μεταβατικών φαινομένων που έρχονται από το δίκτυο και αφετέρου να ελέγχει τη μαγνήτιση και να αποφεύγει προβλήματα παραμένοντας σύγχρονος με τη συχνότητα του δικτύου. Μια 67

68 τέτοια γεννήτρια επιτρέπει τη λειτουργία με μεταβλητή ταχύτητα στην ανεμογεννήτρια Σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) Η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα είναι ο βασικότερος τύπος γεννήτριας στη βιομηχανία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα τυλίγματα του στάτη μιας τέτοιας γεννήτριας είναι απευθείας συνδεδεμένα στο δίκτυο και η ταχύτητα περιστροφής της ρυθμίζεται από την συχνότητα του δικτύου. Επίσης, τα τυλίγματα του δρομέα διεγείρονται από συνεχές ρεύμα με τη χρήση δακτυλιδιών ολίσθησης και ψηκτρών ή μέσω ενός διεγέρτη χωρίς ψήκτρες με ένα στρεφόμενο ανορθωτή. Τα βασικό τους πλεονέκτημα έναντι των ασύγχρονων επαγωγικών γεννητριών είναι ότι δεν χρειάζονται επιπλέον μέτρα αντιστάθμισης για την άεργο ισχύ. Τα τυλίγματα του δρομέα, μέσα από τα οποία ρέει ρεύμα, παράγουν το πεδίο διέγερσης το οποίο περιστρέφεται με σύγχρονη ταχύτητα. Η ταχύτητα της σύγχρονης γεννήτριας καθορίζεται από τη συχνότητα του στρεφόμενου πεδίου και του αριθμού των πόλων της Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG) Οι ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου είναι αυτοδιεγειρόμενες και λειτουργούν με υψηλό συντελεστή ισχύος και υψηλή απόδοση. Στις μηχανές μόνιμου μαγνήτη, η απόδοση είναι υψηλότερη από αυτή των επαγωγικών καθώς η διέγερση παρέχεται χωρίς να υπάρχει επιπλέον παροχή ενέργειας. Παρόλα αυτά, τα υλικά με τα οποία κατασκευάζονται οι μόνιμοι μαγνήτες είναι πολύ ακριβά και καθόλου εύκολα στην επεξεργασία. Επιπλέον, η χρήση διέγερσης με μόνιμο μαγνήτη απαιτεί τη χρήση ενός μετατροπέα ισχύος πλήρους κλίμακας προκειμένου να προσαρμόσει την τάση και τη συχνότητα της γεννήτριας στην τάση και τη συχνότητα της γραμμής αντίστοιχα, γεγονός που οδηγεί σε πρόσθετο κόστος. Το πλεονέκτημα είναι ότι μπορεί να παραχθεί ενέργεια σε κάθε ταχύτητα. Ο στάτης των σύγχρονων γεννητριών μόνιμου μαγνήτη αποτελείται από συμβατικό τριφασικό τύλιγμα και ο δρομέας αποτελείται από ένα σύστημα πόλων μαγνήτη που μπορεί να είναι έκτυποι ή κυλινδρικοί. Οι έκτυποι πόλοι είναι πιο συνηθισμένοι σε μηχανές χαμηλής ταχύτητας και είναι πιο χρήσιμοι για εφαρμογές ανεμογεννητριών. Οι σύγχρονες γεννήτριες με μόνιμο μαγνήτη μπορεί να εμφανίσουν προβλήματα κατά την εκκίνηση, το συγχρονισμό και τη ρύθμιση της τάσης. Η σύγχρονη λειτουργία προκαλεί επίσης δύσκαμπτη συμπεριφορά σε περίπτωση που η ταχύτητα του αέρα δεν είναι σταθερή. Ένα ακόμα μειονέκτημα αυτού του τύπου γεννητριών είναι ότι τα μαγνητικά υλικά είναι ευαίσθητα στις υψηλές θερμοκρασίες με αποτέλεσμα να απαιτείται κάποιο σύστημα ψύξης Ασύγχρονη Επαγωγική Γεννήτρια Ο τύπος της γεννήτριας που συνήθως χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτριες είναι η επαγωγική γεννήτρια. Μεταξύ των πλεονεκτημάτων που προσφέρουν αυτού του τύπου οι γεννήτριες είναι η ευρωστία, η απλότητα στο μηχανικό κομμάτι και το χαμηλό κόστος, που οφείλεται στο μεγάλο αριθμό παραγωγής τους. Το μεγάλο τους μειονέκτημα είναι ότι καταναλώνουν άεργο ισχύ. Η άεργος ισχύς μπορεί να 68

69 προέρχεται από το δίκτυο ή από συστοιχίες πυκνωτών ή από ένα κατάλληλο σύστημα ηλεκτρονικών ισχύος Επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) Οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού απαντώνται σε απλές εφαρμογές λόγω της μηχανικής τους απλότητας, της υψηλής τους απόδοσης και του ελάχιστου κόστους συντήρησης που απαιτούν. Με σύνδεση απευθείας στο δίκτυο, η ταχύτητα της επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού μεταβάλλεται μόνο κατά ένα μικρό ποσοστό, εξαιτίας της ολίσθησης της γεννήτριας, η οποία οφείλεται στις αλλαγές της ταχύτητας του ανέμου. Για το λόγο αυτό οι γεννήτριες αυτές χρησιμοποιήθηκαν πολύ για σταθερής ταχύτητας ανεμογεννήτριες. Η γεννήτρια και ο άξονας της ανεμογεννήτριας συνδέονται μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων καθώς η βέλτιστη προσδοκώμενη τιμή της ταχύτητας του άξονα είναι διαφορετική από αυτή της γεννήτριας. Οι ανεμογεννήτριες που έχουν επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού συνήθως έχουν και ένα μηχανισμό ηλεκτρονικά ελεγχόμενου εκκινητή και αντιστάθμιση αέργου ισχύος με πυκνωτές. Αυτού του τύπου οι γεννήτριες έχουν σαν χαρακτηριστικό τις απότομες αλλαγές στη ροπή με αποτέλεσμα οι διαταραχές του ανέμου να περνούν κατευθείαν στο δίκτυο. Αυτές οι διαταραχές είναι ιδιαίτερα σημαντικές κατά τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο, όπου η ένταση του μεταβατικού ρεύματος είναι 7-8 φορές μεγαλύτερη από την ονομαστική. Σε ένα αδύναμο δίκτυο, αυτό το υψηλό μεταβατικό ρεύμα μπορεί να προκαλέσει μεγάλες διαταραχές στην τάση, οπότε η σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο θα πρέπει να γίνεται σταδιακά προκειμένου να μειωθεί το μεταβατικό ρεύμα. Κατά τη διάρκεια της μόνιμης λειτουργίας και της άμεσης σύνδεσης με ένα στιβαρό ac δίκτυο, η ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι πολύ εύρωστη και ευσταθής. Η ολίσθηση ποικίλλει και αυξάνεται με αύξηση του φορτίου. Το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι ότι λόγω του ρεύματος μαγνήτισης που παρέχεται από το δίκτυο στα τυλίγματα του στάτη, ο συντελεστής ισχύος υπό πλήρες φορτίο είναι σχετικά μικρός. Το πρόβλημα ωστόσο διορθώνεται με τη σύνδεση πυκνωτών παράλληλα στη γεννήτρια. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των επαγωγικών γεννητριών βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι ότι η ανεμογεννήτρια μπορεί να παράγει μεγαλύτερα ποσά ενεργού ισχύος μόνο αν απορροφήσει περισσότερη άεργο ισχύ. Έτσι η κατανάλωση άεργου ισχύος είναι μη ελέγξιμη γιατί μεταβάλλεται με την ταχύτητα του αέρα. Αν δεν υπάρχουν ηλεκτρικά στοιχεία να παρέχουν την άεργο ισχύ, τότε αυτή πρέπει να προέλθει απευθείας από το δίκτυο. Η άεργος ισχύς που παίρνεται από το δίκτυο μπορεί να προκαλέσει επιπρόσθετες απώλειες μεταφοράς και σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να κάνει το δίκτυο ασταθές. Σε περίπτωση σφάλματος, οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού που δεν έχουν κανένα σύστημα για αντιστάθμιση της άεργου ισχύος μπορεί να οδηγήσουν σε αστάθεια της τάσης στο δίκτυο. Όταν υπάρξει ένα σφάλμα ή μια πτώση τάσης ο δρομέας της ανεμογεννήτριας μπορεί να επιταχυνθεί στιγμιαία εξαιτίας της ανισορροπίας μεταξύ της ηλεκτρικής και της μηχανικής ροπής. Η συνεπαγόμενη αύξηση της ολίσθησης τότε θα απαιτήσει μια μεγαλύτερη ποσότητα άεργου ισχύος από το δίκτυο, το οποίο θα οδηγηθεί σε περαιτέρω μείωση της τάσης. Σήμερα, η μεγάλη ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος έχει επιτρέψει τη χρήση των επαγωγικών γεννητριών βραχυκυκλωμένου κλωβού σαν πλήρως 69

70 μεταβλητής ταχύτητας ανεμογεννήτριες με εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά. Έτσι κατέστη δυνατός ο έλεγχος ενεργού και άεργου ισχύος και η προσαρμογή τους στις συνθήκες του ανέμου και τις απαιτήσεις του δικτύου. Παρακάτω φαίνεται η τοπολογία μιας ανεμογεννήτριας με επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού Επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα(wrig) Στην περίπτωση των επαγωγικών γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα, τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του δρομέα μπορούν να ελεγχθούν εξωτερικά από την τάση του δρομέα. Τα τυλίγματα του δρομέα συνδέονται εξωτερικά μέσω δακτυλίων ολίσθησης και ψηκτρών. Με τη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος, η ισχύς μπορεί να εξαχθεί ή και να εισαχθεί στο κύκλωμα του δρομέα και η γεννήτρια μπορεί να μαγνητιστεί είτε από το κύκλωμα του στάτη είτε από το κύκλωμα του δρομέα. Το μειονέκτημα της επαγωγικής γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα είναι το σχετικά υψηλότερο κόστος σε σχέση προς την αντίστοιχη βραχυκυκλωμένου δρομέα. Η βιομηχανία των ανεμογεννητριών συνήθως χρησιμοποιεί τους εξής δύο τύπους επαγωγικών γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα, την επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα και την επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας Επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα (OSIG) Η επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα εισήχθηκε στην αγορά προκειμένου να μειωθεί το φορτίο στην ανεμογεννήτρια εξαιτίας των ριπών ανέμου. Έχει την ικανότητα να μεταβάλει την ολίσθηση (θετική) και να επιλέγει τη βέλτιστη τιμή γι ' αυτή, με αποτέλεσμα μικρότερες διαταραχές στην ροπή και στην εξαγόμενη ενέργεια. Η μεταβλητή ολίσθηση είναι πολύ απλή, αξιόπιστη κα πολύ αποτελεσματική στη μείωση των φορτίων σε σχέση με άλλες πιο πολύπλοκες λύσεις. Το πλεονέκτημα αυτού του τύπου γεννήτριας είναι ότι με μια σχετικά απλή τοπολογία του κυκλώματος του δρομέα, χωρίς απαραίτητα να υπάρχουν δακτύλιοι ολίσθησης, παρέχεται μεγαλύτερο εύρος ταχύτητας από την επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού, ενώ παράλληλα μειώνονται τα μηχανικά φορτία αλλά και 70

71 οι διαταραχές στην ενέργεια που οφείλονται στις ριπές του ανέμου. Ωστόσο, επειδή πρόκειται για μία ασύγχρονη επαγωγική γεννήτρια, είναι απαραίτητο ένα κύκλωμα αντιστάθμισης άεργου ισχύος. Επιπλέον, το εύρος μεταβολής της ταχύτητας κυμαίνεται από 0-10%, ποσοστό που εξαρτάται από το μέγεθος της μεταβλητής αντίστασης του δρομέα. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί και η έλλειψη αξιόλογου ελέγχου της ενεργού και άεργου ισχύος αλλά και οι απώλειες σημαντικού ποσού ενέργειας πάνω στην μεταβλητή αντίσταση ως θερμότητα. Παρακάτω φαίνεται η τοπολογία μιας ανεμογεννήτριας που χρησιμοποιεί γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα Επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG) Η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας κερδίζει συνεχώς όλο και μεγαλύτερο μερίδιο αγοράς. Αποτελεί την εξέλιξη της επαγωγικής γεννήτριας με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα, στην οποία η μεταβλητή αντίσταση του δρομέα έχει αντικατασταθεί από έναν back-to-back IGBT μετατροπέα πηγής τάσης συνδεδεμένο στο δίκτυο. Τα τυλίγματα του στάτη είναι απευθείας συνδεδεμένα στο τριφασικό δίκτυο. Το σύστημα αυτό επιτρέπει τη λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας με ένα αρκετά μεγάλο εύρος. Τόσο στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας όσο και σε περίπτωση σφάλματος, η συμπεριφορά της γεννήτριας καθορίζεται πλήρως από το μετατροπέα και τους ελεγκτές του. Πιο συγκεκριμένα, ο μετατροπέας στην πλευρά του δρομέα ελέγχει την ενεργό και άεργο ισχύ της μηχανής μέσω ελέγχου του ρεύματος του δρομέα, ενώ ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου ελέγχει την τάση στην dc διασύνδεση και διασφαλίζει λειτουργία με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Ανάλογα με τη λειτουργία, η ισχύς του δρομέα μπορεί να μεταφερθεί και προς τις δύο κατευθύνσεις. Στην υπερσύγχρονη λειτουργία όπου η ολίσθηση είναι αρνητική, έχουμε ροή ισχύος από το δρομέα μέσω του μετατροπέα στο δίκτυο, ενώ στην υποσύγχρονη λειτουργία (θετική ολίσθηση), η ροή ισχύος είναι αντίθετη. Και στις δύο αυτές περιπτώσεις, ο στάτης παρέχει ενέργεια στο δίκτυο. Έτσι, σε αντίθεση με την επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα, η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας οδηγεί στο δίκτυο την αυξημένη ισχύ του δρομέα χωρίς αυτή να χάνεται σε ωμικές αντιστάσεις. Η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας δεν είναι απαραίτητο να μαγνητίζεται από το δίκτυο αλλά αυτό μπορεί 71

72 να γίνει και από το κύκλωμα του δρομέα. Επίσης, είναι ικανή να παράγει άεργο ισχύ η οποία μπορεί να μεταφερθεί στο στάτη μέσω του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου. Σε περίπτωση που υπάρχει ένα αδύναμο δίκτυο, η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας μπορεί να παράγει ή να απορροφήσει κάποιο ποσό άεργου ισχύος προς ή από το δίκτυο, προκειμένου να γίνει έλεγχος της τάσης. Το μέγεθος του μετατροπέα δε σχετίζεται με τη συνολική ισχύ της γεννήτριας αλλά με το επιλεγμένο εύρος ρύθμισης της ταχύτητας. Έτσι ό,τι κερδίζουμε σε κόστος το χάνουμε σε δυνατότητα εύρους της μεταβλητής ταχύτητας. Επιπλέον μειονέκτημα της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας είναι ότι οι δακτύλιοι ολίσθησης είναι απαραίτητοι. 3.4 Μηχανικός έλεγχος ισχύος στον ανεμοκινητήρα Όλες οι ανεμογεννήτριες, ακόμα και οι σταθερής ταχύτητας, σχεδιάζονται να έχουν κάποιου είδους έλεγχο ισχύος. Ο πιο πρώιμος έλεγχος ισχύος είναι ο μηχανικός έλεγχος που εφαρμόζεται στα πτερύγια του ανεμοκινητήρα. Διάφοροι μηχανικοί τρόποι έχουν εφαρμοστεί που περιορίζουν τις αεροδυναμικές δυνάμεις στο δρομέα, στις υψηλές τιμές ταχύτητας έτσι ώστε να μην υπάρξουν ζημιές στην ανεμογεννήτρια Έλεγχος μέσω παθητικής απώλειας στήριξης Στις ανεμογεννήτριες με παθητική απώλεια στήριξης, τα πτερύγια είναι τοποθετημένα στον άξονα σε μια σταθερή γωνία. Η γωνία των πτερυγίων είναι τέτοια ώστε αυτόματα, αεροδυναμικά να διασφαλίζεται ότι σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου θα εμφανιστούν στα πλάγια των πτερυγίων από την αντίθετη πλευρά πρόσπτωσης δίνες και στροβιλισμοί. Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται η διαδικασία της γωνίας απώλειας στήριξης 72

73 Οι διαταραχές αυτές αντισταθμίζουν τις δυνάμεις άντωσης στα πτερύγια και τις περιορίζουν στο να επενεργήσουν στο ρότορα. Αυτό το φαινόμενο λέγεται απώλεια στήριξης. Οι αεροδυναμικές διαταραχές στις οποίες οφείλεται το φαινόμενο της απώλειας στήριξης, τελικά οδηγούν σε συνεχείς αρνητικές ολισθήσεις στην ταχύτητα περιστροφής γνωστές ως «στολάρισμα». Ο πιο απλός, εύρωστος και φθηνός τρόπος ελέγχου είναι ο έλεγχος απώλειας στήριξης ( παθητικός έλεγχος ), όπου τα πτερύγια είναι τοποθετημένα στον άξονα της ανεμογεννήτριας σε σταθερή γωνίας. Ο αεροδυναμικός σχεδιασμός της ανεμογεννήτριας προκαλεί την απώλεια στήριξης στο ρότορα ( απώλεια ισχύος) όταν η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί κάποιο συγκεκριμένο επίπεδο. Αποτέλεσμα του γεγονότος αυτού, είναι ο περιορισμός της αεροδυναμικής ισχύος στα πτερύγια. Τέτοια αργή ρύθμιση της αεροδυναμικής ισχύος προκαλεί μικρότερες διαταραχές στην ισχύ, από μια γρήγορη μεταβολή στη γωνία των πτερυγίων. Μερικά από τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι ότι εμφανίζει μικρή απόδοση σε χαμηλές ταχύτητες, δεν βοηθά στην εκκίνηση και σε πιθανές μεταβολές στη μέγιστη ισχύ στη μόνιμη κατάσταση, εξαιτίας των μεταβολών στην πυκνότητα του αέρα και σε ορισμένες περιπτώσεις, της συχνότητας του δικτύου Έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίου (pitch control) Στις ανεμογεννήτριες που έχουν έλεγχο της γωνίας βήματος πτερυγίων (pitch control), τα πτερύγια θα πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται, περιστρέφοντας όλο ή μέρος κάθε πτερυγίου γύρω από τον άξονά τους, στην κατεύθυνση η οποία μειώνει τη γωνία πρόσπτωσης και άρα το συντελεστή άντωσης, μια διαδικασία γνωστή σαν βήμα πτέρωσης. Η διαδικασία αυτή φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. 73

74 Όταν η παραγωγή ενέργειας γίνεται πολύ μεγάλη, ο μηχανισμός ελέγχου της γωνίας των πτερυγίων αρχίζει να στρίβει σιγά-σιγά τα πτερύγια, έτσι ώστε να μειώνεται ο άνεμος που προσπίπτει πάνω τους. Τα πτερύγια ξαναστρίβουν όταν πέσει η ένταση του ανέμου προκειμένου να έχουμε μεγαλύτερη πρόσπτωσή του πάνω τους ώστε εν τέλει να υπάρχει μεγαλύτερη παραγωγή ενέργειας. Ο μηχανισμός του ελέγχου βήματος πτερυγίου πραγματοποιείται με τη χρήση υδραυλικών ή και ηλεκτρικών ενεργοποιητών. Ένας άλλος δημοφιλής τρόπος ελέγχου είναι ο έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίων ( ενεργός έλεγχος) στον οποίο τα πτερύγια μπορούν να στραφούν είτε ενάντια, είτε προς την διεύθυνση του αέρα ανάλογα με το αν η παραγόμενη ενέργεια είναι πολύ μεγάλη ή πολύ μικρή αντίστοιχα. Τα πλεονεκτήματα αυτού του τρόπου ελέγχου είναι ότι προσφέρει καλό έλεγχο της ισχύος, βοήθεια κατά την εκκίνηση και σχεδόν άμεση διακοπή λειτουργιάς αν υπάρξει ανάγκη, από ηλεκτρική άποψη, καλός έλεγχος της ισχύος σημαίνει ότι σε υψηλές ταχύτητες η πραγματική παραγόμενη ισχύς είναι η βέλτιστη και βρίσκεται πλησιέστερα στην ονομαστική ισχύ της γεννήτριας. Μερικά από τα μειονεκτήματα είναι η πολυπλοκότητα που εισάγει ο μηχανισμός των στρεφόμενων πτερυγίων και η επιπλέον αναταράξεις που υπάρχουν σε μεγάλες τιμές ταχύτητας του αέρα. Η στιγμιαία ισχύς, εξαιτίας των ριπών του ανέμου και της περιορισμένη ταχύτητας περιστροφής των πτερυγίων, κυμαίνεται γύρω από τη μέση τιμή της Ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης Ο τρίτος πιθανός τρόπος μηχανικού ελέγχου είναι ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης. Όπως παραπέμπει και η ονομασία η απώλεια στήριξης των πτερυγίων ελέγχεται ενεργά με περιστροφή των πτερυγίων. Σε χαμηλές ταχύτητες τα πτερύγια στρέφονται με τον ίδιο τρόπο όπως και στις ανεμογεννήτριες με έλεγχο γωνίας βήματος, προκειμένου να επιτευχθεί μέγιστη απόδοση. Σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου, τα πτερύγια παγαίνουν σε μεγαλύτερη απώλεια στήριξης στρεφόμενα ελάχιστα σε αντίθετη φορά από αυτή που θα στρέφονταν αν είχα έλεγχο γωνίας βήματος. Η ανεμογεννήτριες με ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης επιτυγχάνουν πιο ομαλό 74

75 περιορισμό της ενέργειας, χωρίς μεγάλες διαταραχές στην ισχύ από ότι στην περίπτωση του ελέγχου βήματος πτερυγίων. Αυτός ο τύπος ελέγχου έχει το πλεονέκτημα να διαχειρίζεται αυξομειώσεις στην πυκνότητα του αέρα. Ο συνδυασμός με τον μηχανισμό γωνίας βήματος κάνει πιο εύκολη τη διαχείριση καταστάσεων που χρειάζεται άμεση διακοπή λειτουργίας της ανεμογεννήτριας και επιπλέον βοηθά κατά την εκκίνηση. 3.5 Ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος για αιολικά συστήματα Η τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος είναι ταχέως αναπτυσσόμενη και εξελισσόμενη. Τα στοιχεία τους πλέον μπορούν να διαχειριστούν υψηλά ρεύματα και τάσεις. Οι απώλειες ενέργειας σε αυτές έχουν μειωθεί σημαντικά κάνοντας τις συσκευές πιο αξιόπιστες στις υψηλές ισχείς. Επιπλέον η σχέση της τιμής τους προς την ισχύ είναι ένας λόγος που συνεχώς μειώνεται με αποτέλεσμα το όφελος από τη χρήση των μετατροπέων ισχύος να είναι σαφώς μεγαλύτερο από το κόστος και για ισχείς της τάξης των MW. Στη συνέχεια θα παραθέσουμε κάποιες από τις χαρακτηριστικές συσκευές ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ανεμογεννητριών Ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής (soft starter) Ο ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής είναι μια απλή και φτηνή συσκευή ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιείται στις ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας κατά τη διαδικασία της σύνδεσής τους στο δίκτυο. Η δουλειά τους είναι να μειώσουν τα μεταβατικά ρεύματα και κατ επέκταση να μειώσουν τις διαταραχές στο δίκτυο. Χωρίς τον ηλεκτρονικά ελεγχόμενο εκκινητή τα μεταβατικά ρεύματα μπορεί να είναι ως και 7-8 φορές μεγαλύτερα από τις ονομαστικές τους τιμές με αποτέλεσμα να δημιουργηθούν σοβαρές διαταραχές της τάσης στο δίκτυο. Ο ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής περιλαμβάνει από δύο θυρίστορ σε κάθε φάση σε αντιπαράλληλη σύνδεση. Η ομαλή σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο επιτυγχάνεται προσαρμόζοντας τη γωνία έναυσης των θυρίστορ. Η σχέση μεταξύ της γωνίας έναυσης και της ενίσχυσης που θα παρέχει ο ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής είναι εξαιρετικά μη γραμμική και επιπρόσθετα είναι συνάρτηση του συντελεστή ισχύος του συνδεδεμένου στοιχείου. Μετά το μεταβατικό στάδιο τα θυρίστορ παρακάμπτονται προκειμένου να μειωθούν οι απώλειες του συστήματος Συστοιχία πυκνωτών Οι συστοιχίες πυκνωτών χρησιμοποιούνται σε ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας ή περιορισμένα μεταβλητής ταχύτητας. Παρέχουν άεργο ισχύ ώστε αυτή που απορροφά η γεννήτρια από το δίκτυο να μειώνεται. Στα αιολικά συστήματα οι γεννήτριες μπορεί να διαθέτουν αντιστάθμιση άεργου ισχύος που εφαρμόζεται με δυναμικό τρόπο, δηλαδή ένας αριθμός πυκνωτών να συνδέεται και να αποσυνδέεται μέσω ηλεκτρονικών διακοπτών, ανάλογα με τη μέση ζήτηση που υπάρχει σε άεργο ισχύ σε μία προκαθορισμένη χρονική περίοδο. Σημαντικό είναι βέβαια να τονιστεί ότι υπάρχει κίνδυνος οι πυκνωτές να υπερφορτιστούν και να καταστραφούν από κάποιες υπερτάσεις του δικτύου, με αποτέλεσμα να αυξάνουν το κόστος συντήρησης του συστήματος. οι συστοιχίες πυκνωτών συνήθως βρίσκονται στη βάση του πύργου. 75

76 3.5.3 Μετατροπείς ισχύος ac-dc ανορθωτές και αντιστροφείς Οι μετατροπείς ισχύος ac-dc είναι συσκευές και διατάξεις με ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος όπως διόδους, θυρίστορ ή τρανζίστορ ισχύος και διακρίνονται σε ανορθωτές ή αντιστροφείς όταν μετατρέπουν το ac ρεύμα σε dc και αντίστροφα. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι που μπορούν να συνδυαστούν ένας αντιστροφέας με έναν ανορθωτή σε ένα μετατροπέα συχνότητας. Σήμερα υπάρχουν δiάφορες τεχνολογίες με τις οποίες γίνεται αυτό, όπως διπλοί μετατροπείς με IGBT (back-to-back), πολλών επιπέδων (multilevel), μήτρας (matrix) κλπ. Δίοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για ανόρθωση, ενώ ηλεκτρονικοί διακόπτες θυρίστορ ή τρανζίστορ μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για ανόρθωση και για αντιστροφή. Ανορθωτές Με τον όρο ανορθωτή εννοούμε την ροή μέσης ισχύος από την ac πλευρά στην dc πλευρά. Επειδή λοιπόν στις περισσότερες εφαρμογές η ισχύς εισόδου προέρχεται από την ac τάση του ηλεκτρικού δικτύου (με συχνότητα 50 Hz) είναι αναγκαία η μετατροπή της σε dc τάση, ούτως ώστε να χρησιμοποιηθεί μετέπειτα σε διάφορες εφαρμογές. Η πιο τυπική λύση ανορθωτή είναι μέσω χρήσης διόδων ισχύος (μη ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος). Έτσι, εξασφαλίζεται απλότητα, χαμηλό κόστος και όσο το δυνατόν μικρότερες απώλειες. Ωστόσο, επιτρέπεται η ροή ισχύος προς μία μόνο κατεύθυνση και δεν μπορεί να γίνει έλεγχος τόσο του ρεύματος όσο και της τάσης. Έτσι, χρησιμοποιούνται μόνο μαζί με μία γεννήτρια που μπορεί να ελέγξει την τάση και με έναν αντιστροφέα που μπορεί να ελέγξει το ρεύμα. Τέλος, οι ανορθωτές με χρήση διόδων ισχύος δεν είναι γραμμικοί με αποτέλεσμα την παραγωγή υψηλών αρμονικών και την παραμόρφωση των ρευμάτων του δικτύου. Μία άλλη λύση ανορθωτή είναι μέσω χρήσης συμβατικών θυρίστορ ή μέσω GTO θυρίστορς (ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος). Έτσι, εξασφαλίζεται η δυνατότητα ελέγχου της dc τάσης εξόδου και επιπλέον υπάρχει η δυνατότητα της αμφίδρομης ροής ισχύος μεταξύ της ac και της dc πλευράς. Μειονέκτημα αυτού του τύπου ανορθωτή αποτελούν οι υψηλές απώλειες, ιδίως στην περίπτωση χρήσης GTO θυρίστορ ως ημιαγωγικού στοιχείου ισχύος όπου είναι απαραίτητη η λειτουργία ειδικού κυκλώματος σβέσης, το οποίο απαιτεί υψηλά ποσά ενέργειας για την σβέση του ημιαγωγικού στοιχείου. Τέλος, παράγονται υψηλές αρμονικές και υπάρχει παραμόρφωση των ρευμάτων του δικτύου. Αντιστροφείς Με τον όρο αντιστροφέα εννοούμε την ροή μέσης ισχύος από την dc πλευρά στην αc πλευρά. Οι αντιστροφείς dc/ac έχουν ως αντικειμενικό σκοπό την παραγωγή μίας ημιτονοειδούς ac τάσης εξόδου, με ελεγχόμενα τόσο το πλάτος της όσο και τη συχνότητά της. Χρησιμοποιούν ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος, όπως συμβατικά θυρίστορ, GTO θυρίστορ και IGBT. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια και λόγο της δυνατότητας των IGBT ημιαγωγικών στοιχείων να διαχειριστούν υψηλά ποσοστά ενέργειας, έχουν επικρατήσει αντιστροφείς με IGBT. Βασικά τους μειονεκτήματα είναι η κατανάλωση αέργου ισχύος αλλά και η παραγωγή υψηλών 76

77 αρμονικών. Ωστόσο, οι παραγόμενες υψηλές αρμονικές μπορούν να μειωθούν μέσω κατάλληλης παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος (μέσω διαμόρφωσης εύρους πλάτους παλμών, PWM). Μετατροπείς συχνότητας Ένας μετατροπέας συχνότητας, ο οποίος καλείται και μηχανισμός ρύθμισης ταχύτητας, αποτελείται από τα εξής: Έναν ανορθωτή ο οποίος μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές (ac/dc) ενώ διευκολύνει και τη ροή ενέργειας στην dc πλευρά. Ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (πυκνωτές). Έναν αντιστροφέα ο οποίος μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο ενώ διευκολύνει και τη ροή ενέργειας στην ac πλευρά. Από τις διάφορες τοπολογίες που υπάρχουν σήμερα για τους μετατροπείς συχνότητας, έχει αποδειχθεί πως οι διπλοί μετατροπείς ισχύος ac/dc/ac με IGBT στοιχεία (back-to-back) έχουν την καλύτερη εφαρμογή στις ανεμογεννήτριες. Ο backto-back μετατροπέας είναι αμφίδρομος σε σχέση με την ενέργεια και αποτελείται από δύο συμβατικούς μετατροπείς πηγής τάσης (VSC) με IGBT και PWM διαμόρφωση στην παλμοδότηση, που συνδέονται μεταξύ τους μέσω μιας dc διασύνδεσης που ουσιαστικά αποτελεί ένας μεγάλος πυκνωτής. Ο μετατροπέας αυτός φαίνεται στο σχήμα Ο μετατροπέας αυτός, αν και εμφανίζει μεγαλύτερες απώλειες στα διακοπτικά στοιχεία λόγω της μεγαλύτερης διακοπτικής συχνότητας, αυξάνει σημαντικά την τάξη των αρμονικών της τάσης εξόδου με αποτέλεσμα να μειώνεται η επίδρασή τους. 77

78 78

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΩΝ ΑΠΟ ΤΑΣΗ 4.1 Εισαγωγή Το παραπάνω σχηματικό διάγραμμα δείχνει τη δομή ενός VSC συστήματος με σταθερή συχνότητα. Ο μετατροπέας VSC είναι είτε δυο είτε τριών επίπεδων. Αυτό δεν αλλάζει το δυναμικό μοντέλο του συστήματος με μονή διαφορά ότι ο τριών επίπεδων μετατροπέας απαιτεί την προσθήκη ενός επιπλέον βρόγχου ελέγχου για την σταθεροποίηση των τάσεων στους DC-πυκνωτές του μετατροπέα, στην μισή τιμή της τάσης στην dc- πλευρά των μετατροπέων. Ανάλογα με τον ρολό που αυτή αναλαμβάνει, τα VSC συστήματα χωρίζονται στις εξής κατηγορίες: VSC σύστημα με έλεγχο της συχνότητας: Η συχνότητα ρυθμίζεται από το σχήμα ελέγχου του VSC συστήματος. VSC σύστημα με μεταβλητή συχνότητα: Η συχνότητα λειτουργίας είναι μια μεταβλητή κατάστασης του γενικότερου συστήματος, εξαρτάται από το σημείο λειτουργίας και δεν μπορεί να ρυθμιστεί απευθείας. Αυτή η περίπτωση απαντάται στην σύνδεση ενός VSC- HVDC συστήματος με ηλεκτρική μηχανή. VSC σύστημα με σταθερή επιβαλλόμενη από το δίκτυο συχνότητα (grid-imposed frequency VSC system): Το VSC-HVDC σύστημα διασυνδέεται με ένα άκαμπτο, μεγάλο ηλεκτρικό δίκτυο το οποίο 79

80 επιβάλλει και την συχνότητα λειτουργίας, η όποια θεωρείται σταθερή ή σχεδόν σταθερή. Στα συστήματα VSC που επιβάλλεται η συχνότητα του δικτύου, ο έλεγχος που μας ενδιαφέρει είναι αυτός της ροής ενεργού και άεργου ισχύος και ο έλεγχος της DC τάσης στην dc πλευρά των μετατροπέων. Ο μετατροπέας μπορεί να είναι δύο ή τριών επίπεδων. Σε κάθε περίπτωση πάντως βλέπουμε ότι το VSC παριστάνεται με μια μονάδα επεξεργασίας ισχύος χωρίς απώλειες, έναν ισοδύναμο πυκνωτή στην dc πλευρά και μια πηγή ρεύματος που παριστά τις απώλειες λόγω λειτουργίας των μεταγωγικών διακοπτών (μπορεί να παραληφθεί). Κάθε φάση του VSC μετατροπέα συνδέεται σε ένα απείρως άκαμπτο δίκτυο μέσω εν σειρά R-L αντιδράσεων, που αναπαριστούν τις μη ιδανικές επαγωγικές αντιδράσεις εξομάλυνσης. Το AC δίκτυο παριστάνεται με μια ιδανική τριφασική πηγή τάσης σταθερής συχνότητας και ημιτονοειδούς μορφής. Η DC πλευρά του μετατροπέα μπορεί να συνδεθεί με μια πηγή συνεχούς τάσης ή μια πηγή συνεχούς ισχύος. Το VSC σύστημα ανταλλάσει πραγματική και άεργο ισχύ με το εναλλασσόμενο δίκτυο στο κοινό σημείο ένωσης (Point of Common Coupling, PCC). Από το σχήμα έχει απαλειφθεί ο μετασχηματιστής. Έτσι η τάση Vsabc παριστάνει την τάση του AC δικτύου στο σημείο ένωσης με το VSC-HVDC σύστημα (PCC). Ανάλογα με την στρατηγική ελέγχου, το VSC-HVDC σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί, όπως έχει αναφερθεί ως ελεγκτής ενεργού, άεργου ισχύος ή σαν ελεγκτής της DC τάσης. Σημείωση: Στα διακοπτικά στοιχεία των μετατροπέων VSC, αγνοούμε τις ωμικές τους αντιστάσεις, δηλαδή την αντίσταση ron. Άρα παρότι εμφανίζεται στα σχήματα αμελείται στις εξισώσεις. 4.2 Ελεγκτής πραγματικής-άεργου ισχύος Το VSC σύστημα του σχήματος για να χρησιμοποιηθεί ως ελεγκτής ενεργού και άεργου ισχύος συνδέεται στην dc πλευρά του παράλληλα με μια πηγή συνεχούς τάσης. Ο σκοπός του ελεγκτή είναι ο ταυτόχρονος αλλά ανεξάρτητος έλεγχος της ανταλλασσόμενης ενεργού (PS) και άεργου ισχύος(qs) του VSC συστήματος με το εναλλασσόμενο δίκτυο. Υπάρχουν δυο μέθοδοι ελέγχου για αυτό το σκοπό: Α) Μέσω της τάσης Σε αυτήν την μέθοδο ελέγχου η ενεργός και η άεργος ισχύς ελέγχονται από την φασική γωνία και το πλάτος της τάσης εξόδου του μετατροπέα (Vtabc) αντίστοιχα. Αν το πλάτος και η φασική γωνία της Vtabc πλησιάζουν τις αντίστοιχες τιμές της Vsabc, τότε η ενεργός και η άεργος ισχύς είναι σχεδόν αποσυζευγμένες και δυο ανεξάρτητοι ελεγκτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο τους. 80

81 Αυτή η μέθοδος είναι απλή και έχει λίγους βρόγχους ελέγχου. Ωστόσο δεν περιλαμβάνει βρόγχο ελέγχου του ρεύματος γραμμής του μετατροπέα VSC (iabc), το οποίο σε περιπτώσεις σφαλμάτων μπορεί να λάβει μεγάλες τιμές και να καταστρέψει τον VSC. Β) Μέσω του ρεύματος: Σε αυτήν την μέθοδο το ρεύμα γραμμής ρυθμίζεται από έναν βρόγχο ελέγχου αξιοποιώντας τη τάση εξόδου του μετατροπέα Vtabc. Ο έλεγχος της πραγματικής και άεργου ισχύος πραγματοποιείται τώρα μέσω της φασικής γωνίας και του πλάτους του ρεύματος γραμμής iabc του μετατροπέα αντίστοιχα, με αναφορά την τάση στο PCC, Vsabc. Κατά αυτό τον τρόπο ο μετατροπέας προστατεύεται από υπερεύματα, ενώ επιτρέπει καλύτερη δυναμική συμπεριφορά και μεγαλύτερη ακρίβεια ελέγχου σε σχέση με την μέθοδο της τάσης. Για αυτούς τους λογούς έχει επικρατήσει στις περισσότερες εφαρμογές. 81

82 Όπως φαίνεται και στο σχήμα ο έλεγχος γίνεται στο dq σύστημα. Έτσι σε αντιστοιχία με αυτά που έχουμε αναφέρει η PS και η QS ελέγχονται μέσω των dq συνιστωσών του iabc, id και iq. Τα σήματα ελέγχου (Vsabc) μετατρέπονται στο dq σύστημα, επεξεργάζονται από τους ελεγκτές για την παραγωγή των σημάτων ελέγχου και ξανά-μετατρέπονται στο abc σύστημα αναφοράς για να τροφοδοτηθούν στο VSC σύστημα. 4.3 Αναπαράσταση στο χώρο των φασόρων στον d-q άξονα Στο κεφάλαιο αυτό, οφείλουμε να εκφράσουμε στο χώρο των φασόρων στην dq-frame που θα χρησιμοποιηθούν για την δημιουργία του μοντέλου ελέγχου. Ας θεωρήσουμε τον χωρικό φάσορα f(t) = f α + j f β (4.1) Ο μετασχηματισμός από dq ορίζεται ως εξής: fd + j fq = f(t) e jρ(t) = (fa + j fβ ) e jρ(t) (4.2) Αυτό σημαίνει ότι ο μετασχηματισμός είναι μια φασική στροφή του f(t) κατα ρ(t). Η γωνιά αυτή μπορεί να εκλεχτεί αυθαίρετα. Αν δεχτούμε ότι: f(t) = f e jωt e j(ωt+θ) = f e jθ (4.3) παρατηρούμε πλέον ότι fd και fq είναι πλέον DC ποσότητες. Ο αντίστροφος μετασχηματισμός δίνεται από την : f(t) = (fd + j fq) e jρ(t) (4.4) 4.4 Δυναμικό μοντέλο του ελεγκτή Προχωρώντας στην περιγραφή του ελεγκτή άεργου και ενεργού ισχύος αρχικά θεωρούμε ότι η τριφασική πηγή εναλλασσόμενης τάσης εκφράζεται ως: Vsa(t) = Vs cos (ω0t + θ0) Vsb(t) = Vs cos (ω0t + θ0-2 π 3 ) Vsc(t) = Vs cos (ω0t + θ0-4 π 3 ) (4.5) 82

83 όπου ω 0 είναι συχνότητα του δικτύου και V s η τιμή κορυφής της τάσης. Θεωρούμε τον φάσορα : Vs (t) = Vs e j(ω0t+θ0) (4.6) Στην AC πλευρά του VSC ισχύει : L d i = R i + Vt Vs (4.7) Αντικαθιστώντας το Vs απο την (4.6) στην (4.7) προκύπτει: L d i = R i + Vt Vs e j(ω0t+θ0) (4.8) Χρησιμοποιώντας τις σχέσεις i = i dq e jρ και Vt = V tdq e jρ στην παραπάνω εξίσωση παίρνουμε : L d ( idq ejρ ) = R idqe jρ + Vtdq e jρ Vs e j(ω0t+θ0) (4.9) αφού ισχύει f dq = f d + j f q Η παραπάνω εξίσωση γράφεται επομένως ως εξής: L d ρ (idq) = j(ld ) idq R idqejρ + Vtdq Vs e j(ω0t+θ0) (4.10) Μετά την ανάλυση της (4.10) σε πραγματικό και φανταστικό μέρος και με την αντικατάσταση ω= d ρ προκύπτουν οι εξισώσεις: L di d L diq = Lω(t) iq R id +Vtd Vs cos (ω0t+θ0 ρ(t)) (4.11) = Lω(t) id R iq+vtq Vs sin (ω0t+θ0 ρ(t)) (4.12) dρ = ω(t) (4.13) 83

84 όπου i d, i q και ρ είναι οι μεταβλητές κατάστασης και V td, V tq και ω είναι οι μεταβλητές ελέγχου. Το παραπάνω σύστημα δεν είναι γραμμικό λόγω των ημιτονοειδών όρων και των όρων ωi d, ωi q. Με την κατάλληλη επιλογή των ω(t) και ρ, δηλαδή για ω(t)=ω0 και ρ(t)=ω 0 t+θ 0 προκύπτουν οι εξισώσεις: L di d L di q = L ω0 iq R id + Vtd Vs (4.14) = L ω0 id R iq + Vtq (4.15) Το σύστημα που πρόεκυψε είναι ένα γραμμικό σύστημα δευτέρας τάξης που οδηγείται από την Vs. Άρα, αν Vtd και Vtq είναι DC ποσότητες, τότε και τα id, iq είναι dc ποσότητες. O μηχανισμός που διασφαλίζει τον συγχρονισμό του dq συστήματος με το τριφασικό σύστημα των τάσεων ονομάζεται PLL, η ανάλυση του οποίου ακλουθεί στην επομένη παράγραφο Ο μηχανισμός συγχρονισμού PLL To PLL είναι ο μηχανισμός που διασφαλίζει τον συγχρονισμό του dq συστήματος αξόνων με βάση τον οποίο υλοποιείται ο έλεγχος του VSC, με το τριφασικό σύστημα αναφοράς abc, στο οποίο είναι δομημένο το σύστημα. Είναι με άλλα λόγια το ο βρόχος ελέγχου μέσω του οποίου μετασχηματίζονται οι τριφασικές ποσότητες του abc στις αντίστοιχες διφασικές του dq και παραμένουν συγχρονισμένες μεταξύ τους Μοντέλο και βρόχος ελέγχου του PLL Οι τάσεις του εναλλασσόμενου δικτύου στο σημείο PCC στο σύστημα dq προκύπτουν: Vsd = Vs cos (ω0t + θ0 ρ ) (4.16) Vsq = Vs sin (ω0t + θ0 ρ ) (4.17) Έτσι οι εξισώσεις (4.11)-(4.13) γράφονται στην μορφή : L di d L di q = Lω(t) iq R id + Vtd Vsd (4.18) = Lω(t) id R iq + Vtq Vsq (4.19) dρ = ω(t) (4.20) 84

85 Το PLL εξασφαλίζει ότι ρ(t)= ω 0 t+θ 0, άρα από την (4.17) προκύπτει ότι V sq =0. O μηχανισμός του PLL που θα διατηρεί την V sq στο μηδέν, διέπεται από τον νόμο ελέγχου: ω(t) = H (p) Vsq (t), ω(0) = ω0 και ωmin ω ωmax (4.21) όπου H(p) είναι μια γραμμική συνάρτηση μεταφοράς ενός βρόγχου ελέγχου και p είναι ένας διαφορικός τελεστής του χρόνου. Με αντικατάσταση των V sq και ω στην (4.20) προκύπτει: dρ = Vs H(p) sin(ω0t + θ0 ρ) (4.22) Η εξίσωση 4.22 περιγράφει το PLL, που είναι ένα μη γραμμικό σύστημα. Η λειτουργία του PLL σε ένα σύστημα ελέγχου ενός VSC-HVDC συστήματος, έγκειται στην ρύθμιση, όπως είδαμε, του ρ στην τιμή ω 0 t+θ 0. Αν αυτό επιτυγχάνεται τότε ο όρος ω 0 t+θ 0 -ρ είναι κοντά στο μηδέν και μπορούμε να πούμε ότι sin(ω 0 t + θ 0 ρ) ω 0 t + θ 0 ρ Άρα η (4.22) γίνεται : dρ = Vs H(p) (ω0t + θ0 ρ) (4.23) Στον βρόγχο ελέγχου με ανατροφοδότηση που παριστάνεται από την παραπάνω σχέση, ο όρος ω 0 t+θ 0 -ρ είναι η είσοδος (αναφορά), το ρ η έξοδος και ο όρος H(p)Vs η συνάρτηση μεταφοράς του ελεγκτή. Ο παραπάνω βρόχος ελέγχου αναπαριστάται γραφικά στο σχήμα : Όμως εξαιτίας των μη γραμμικών χαρακτηριστικών του, το PLL μπορεί να εκδηλώσει ανεπιθύμητη συμπεριφορά όταν λειτουργεί υπό ορισμένες συνθήκες όπως: Η αρχική κατάσταση του PLL χαρακτηρίζεται από τις αρχικές συνθήκες ρ(0)=0 και ω(0)=0. Τότε ο δεξιός όρος της εξίσωσης 4.22 είναι μια ημιτονοειδής συνάρτηση του χρόνου με συχνότητα ω 0. Έτσι τόσο ο όρος V s H(p) sin(ω 0 t + θ 0 ρ) 85

86 οσο και το dρ υπόκειται σε ημιτονοειδείς διαταραχές γύρω από το μηδέν. Ετσι το PLL υπόκειται σε έναν κυκλικό περιορισμό και το ρ δεν μπορεί να ακολουθήσει το ω0t+θ0. Αυτός είναι και ο λόγος που θέτουμε όρια στον νόμο ελέγχου της (4.21). Το ω(t) λαμβάνει την αρχική τιμή ω(0)=ω0 και περιορίζεται από τα όρια ω min και ω max. Για να επιτευχθεί ένα στενό εύρος μεταβολών του ω(t), ω min και ω max λαμβάνονται κοντά στο ω0, άλλα το εύρος τους είναι αρκετά μεγάλο ώστε να επιτρέπονται υπερπηδήσεις του ω(t) κατά την διάρκεια μεταβατικών καταστάσεων. Το PLL μετατρέπει ακόμα την τάση Vsabc στην Vsdq και ρυθμίζει την γωνιακή ταχύτητα ω του dq συστήματος έτσι ώστε Vsq=0, οπότε ρ(t)=ω0t+θ0 και Vsd=Vs. Το σχηματικό διάγραμμα που αναπαριστά αυτή τη διαδικασία φαίνεται στο σχήμα Στο σχήμα ο ολοκληρωτής του dρ = ω(t) είναι ένας ταλαντωτής ελεγχόμενος από την τάση (VCO). Μπορεί να θεωρηθεί ως ένας ολοκληρωτής του οποίου η έξοδος ρ, επαναφέρεται στο μηδέν μόλις φτάσει την τιμή 2π. 4.5 Παραγωγή σημάτων αναφοράς για τον ελεγκτή ενεργού άεργου ισχύος Οι εξισώσεις που μας δίνουν την πραγματική και άεργο ισχύ που μεταφέρεται στο AC σύστημα στο PCC είναι οι: Ps(t) = 3 [Vsd(t)id(t) + Vsq(t)iq(t)] (4.24) 2 Qs(t) = 3 [ Vsd(t)iq(t) + Vsq(t)id(t)] (4.25) 2 86

87 όπου Vsd, Vsq είναι οι τάσεις του εναλλασσόμενου δικτύου στο σύστημα dq. Αυτές οι τάσεις δεν μπορούν να ελεγχθούν από το VSC σύστημα και θεωρούνται σε μόνιμη κατάσταση, σταθερές. Υπάρχουν δυο τρόποι βάσει των οποίων μπορούμε να χειριστούμε τις μεταβλητές ελέγχου και να παράγουμε τα σήματα αναφοράς τους: Σε έναν από αυτούς d-άξονας ευθυγραμμίζεται με μια από τις φάσεις της τάσης Vsabc. Αν ευθυγραμμιστεί έστω με την φάση a τότε προκύπτει ότι Vsq=0 και επομένως Vsd=Vs. Άρα οι πιο πάνω εξισώσεις (4.24),(4.25) μετασχηματίζονται στις Ps(t) = 3 [Vsd(t)id(t)] (4.26) 2 Qs(t) = 3 [ Vsd(t)iq(t)] (4.27) 2 Τα σήματα αναφοράς για αυτά τα ρεύματα ελέγχου θα προκύψουν από τις σχέσεις: idref (t) = iqref (t) = 2 Psref(t) (4.28) 3 V sd 2 Qsref(t) (4.29) 3 V sd Αλλιώς ο q-άξονας ευθυγραμμίζεται με μια από τις φάσεις της τάσης V sabc. Τότε V sd =0 και V sq = V s,οπότε: Ps(t) = 3 [Vsd(t)iq(t)] (4.30) 2 Qs(t) = 3 [Vsd(t)id(t)] (4.31) 2 Τα σήματα αναφοράς για αυτά τα ρεύματα ελέγχου θα προκύψουν από τις σχέσεις: iqref (t) = idref (t) = 2 Psref(t) (4.32) 3 V sd 2 3 V sd Qsref(t) (4.33) 87

88 Από τις εξισώσεις αυτές και για τους δυο τρόπους, παρατηρούμε ότι τα Ps και Qs μπορούν να ελέγχουν από τα id και iq αντίστοιχα. Αν το σύστημα ελέγχου μπορεί να ακoλουθεί γρήγορα τις αναφορές, δηλαδή id=idref, iq=iqref (μηδενισμός των σημάτων σφάλματος) τότε Ps=Psref και Qs=Qsref, που σημαίνει ότι η ενεργός και άεργος ισχύς μπορούν να ελεγχθούν ανεξάρτητα μεταξύ τους, από τις αντίστοιχες τους αναφορές. Επιπλέον αφού η Vsd σε μόνιμη κατάσταση είναι μια DC ποσότητα, το ίδιο θα ισχύει βάσει των παραπάνω εξισώσεων ((4.28),(4.29) ή (4.32),(4.33)) και για τις αναφορές iderf και iqref με την προϋπόθεση βέβαια ότι Psref και Qsref είναι σταθερές ποσότητες. Αυτό είναι αναμενόμενο αφού όπως είδαμε ο έλεγχος σε dq σύστημα χειρίζεται DC μεταβλητές. 4.6 Διαγράμματα και βρόγχοι ελέγχου του VSC μετατροπέα Ο έλεγχος του ελεγκτή ενεργού/άεργου ισχύος στο dq σύστημα όπως είδαμε βασίζεται στις εξισώσεις ( ). Με την υπόθεση ότι το σύστημα λειτουργεί στην μόνιμη κατάσταση και με ω(t)=ω 0 προκύπτουν οι εξισώσεις : L di d L diq = Lω0 iq R id + Vtd Vsd (4.34) = Lω0 id R iq + Vtq Vsq (4.35) Υποθέτουμε ότι οι d και q συνιστώσες της τερματικής τάσης του VSC στην AC πλευρά είναι γραμμικά ανάλογες με τις αντίστοιχες συνιστώσες του σήματος διαμόρφωσης και έναν παράγοντα της τάσης Vdc, δηλαδή Vtd = md Vdc (4.36) Vtq = mq Vdc (4.37) Όπου md, mq είναι οι συνιστώσες στο dq σύστημα του λογού κατάτμησης (duty ratio) του μετατροπέα για την α φάση m a, σε μια περίοδο και υπό διαμόρφωση PWM. Για τον λόγο ma ισχύει : ma = 2 md 2 + mq 2 (4.38) Ο παράγοντας της τάσης Vdc που χρησιμοποιείται στις (4.36),(4.37) μπορεί να είναι είτε το 100% της τάσης Vdc ή κάποιο ποσοστό αυτής όπως Vdc /2. Οι εξισώσεις αυτές παριστούν το μοντέλο του VSC στο dq σύστημα. Αυτό το μοντέλο 88

89 είναι ίδιο και για μετατροπέα δυο αλλά και τριών επίπεδων. Στις εξισώσεις (4.34), (4.35) τα id, iq είναι οι μεταβλητές κατάστασης τα Vtd, Vtq είναι οι μεταβλητές που μπορούμε να ελέγξουμε, ενώ οι Vsd, Vsq είναι σταθερές και επομένως δεν μπορούμε να τις ελέγξουμε. Επιπλέον παρατηρούμε ότι τα ρεύματα-μεταβλητές κατάστασης id, iq είναι συζευγμένα λόγω της παρουσίας του λόγου Lω0 στις (4.34), (4.35). εξής: Για την αποσύζευξη των εξισώσεων τα md, mq σήματα διαμορφώνονται ως md = 1 V dc (ud Lω0iq + Vsd) (4.39) mq = 1 V dc (uq Lω0id + Vsq ) (4.40) όπου ud, uq είναι δυο καινούριες μεταβλητές ελέγχου. Οι όροι Lω 0 iq και Lω 0 id χρησιμοποιούνται για την αποσύζευξη των (4.34), (4.35), ενώ οι όροι Vsd, Vsq είναι όροι αποκοπής που αποκόπτουν τις σταθερές ποσότητες από τις (4.34), (4.35), διαφορετικά ο έλεγχος γίνεται πιο δύσκολος. Αντικαθιστώντας τις (4.39), (4.40) και τις (4.36), (4.37) στις (4.34), (4.35) προκύπτουν οι αποσυζευγμένες εξισώσεις: L di d = R id + ud (4.41) L diq = R iq + uq (4.42) Οι εξισώσεις αυτές παριστάνουν δυο αποσυζευγμένα, γραμμικά συστήματα πρώτης τάξης. Οι μεταβλητές κατάστασης id,iq ελέγχονται τώρα από τις νέες μεταβλητές ελέγχου ud, uq αντίστοιχα. Αυτές οι μεταβλητές είναι οι έξοδοι από δυο αντίστοιχα κέρδη d και q άξονα αντίστοιχα. Κάθε ένα από αυτά τα κέρδη επεξεργάζεται το σήμα σφάλματος κάθε άξονα. Το κέρδος του d-άξονα επεξεργάζεται το σφάλμα ed= idref-id και παράγει to ud και το κέρδος του q-άξονα το σφάλμα eq=iqref-iq παράγοντας το uq. Τα ud και uq με την σειρά τους και βάσει των (4.39), (4.40) συμβάλουν στην δημιουργία των σημάτων διαμόρφωσης md, mq τα οποία ενισχύονται στην συνέχεια κατά τον παράγοντα της τάσης Vdc, για την παραγωγή των τερματικών τάσεων του μετατροπέα Vtd, Vtq αντίστοιχα βάσει των (4.36), (4.37). Τέλος αυτές οι τάσεις χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των μεταβλητών κατάστασης id, iq όπως οι εξισώσεις (4.34), (4.35) υπαγορεύουν. Όλη αυτή η διαδικασία αναπαρίσταται γραφικά στο σχήμα που ακολουθεί: 89

90 Από το παραπάνω σχήμα μπορούμε να βγάλουμε τα απλοποιημένα διαγράμματα ελέγχου που φαίνονται στο σχήμα που ακολουθεί: Γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι οι βρόγχοι ελέγχου για τους άξονες d και q είναι πανομοιότυποι. Η διαπίστωση αυτή μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι και τα κέρδη των βρόγχων μπορούν να είναι τα ίδια, δηλαδή kd(s)=kq(s). Άρα η ανάλυση για τον ένα βρόγχο θα ισχύει και για τον άλλο. Έστω ο βρόχος ελέγχου που αντιστοιχεί στον d-άξονα. Επειδή οι αναφορές και τα σήματα που χρησιμοποιούνται στον έλεγχο είναι dc ποσότητες, όπως αναφέραμε νωρίτερα, αρκεί ένας PI ελεγκτής για να μπορεί ο μετατροπέας VSC να παρακολουθήσει μια DC εντολή. Έτσι ορίζουμε το κέρδος kd(s) του ελεγκτή ως εξής: kd (s) = k ps+k i s (4.43) όπου kp και ki είναι το αναλογικό και ολοκληρωτικό κέρδος αντίστοιχα. Το κέρδος του βρόγχου είναι : 90