Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Καράμπελα Μαρία Αριθμός Μητρώου: 6529 Θέμα «Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης» Επιβλέπων Αντώνιος Αλεξανδρίδης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2012

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Καράμπελα Μαρία του Φωτίου Αριθμός Μητρώου:6529 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του τομέα Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης» Φοιτητής: Καράμπελα Μαρία Επιβλέπων: Αντώνιος Αλεξανδρίδης Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη ανεμογεννήτριας με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας η οποία συνδέεται στο στάτη απευθείας με το δίκτυο και στο δρομέα μέσω ενός back to back μετατροπέα και η συνεχής λειτουργίας της μηχανής σε περιπτώσεις σφαλμάτων στο δίκτυο. Σκοπός της εργασίας είναι αρχικά να μελετηθεί το συνολικό σύστημα της ανεμογεννήτριας θεωρητικά χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park για τη μοντελοποίηση του συστήματος στο σύγχρονα στρεφόμενο d-q πλαίσιο αναφοράς. Στη συνέχεια παρατέθηκαν οι εξισώσεις στο χώρο κατάστασης που περιγράφουν το μαθηματικό μοντέλο του συστήματος, το επόμενο βήμα ήταν να περιγραφεί ένα σύστημα ελέγχου το οποίο βασίζεται στους PI ελεγκτές επιλέγοντας τα κατάλληλα κέρδη. Τέλος, προσομοιώνουμε το παραπάνω σύστημα με τη βοήθεια της εφαρμογής Simulink του λογισμικού MATLAB και μελετώντας τα αποτελέσματα, εξάγουμε τα ανάλογα συμπεράσματα. Abstract The present thesis deals with the study of the wind turbine doubly-fed induction generator (DFIG), in which the stator is connected immediately to the grid and the rotor is connected to the grid with a back-to-back converter and the continuous operation of the machine in case of network errors. This thesis will initially consider the overall system of wind turbine theoretically using the Park transformation to model the system in the d-q synchronous rotating reference frame. The following goal was to quote in the state space equations that describe the mathematical model of the system, the next step was to describe a control system based on PI controllers selecting the appropriate profits. Finally, the above system was simulated by using the Simulink of MATLAB and studying the results were exported the appropriate conclusions.

Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή μου κ. Αντώνιο Αλεξανδρίδη για τη βοήθεια του και την κατανόηση του κατά τη διάρκεια διεκπεραίωσης της παρούσας διπλωματικής εργασίας, τον διδακτορικό φοιτητή Μιχάλη Μπουρδούλη που με βοήθησε σε πολλά στάδια της διπλωματικής εργασίας και διέθεσε πολύ από τον χρόνο του. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου που με στήριξαν σε όλη τη φοιτητική μου πορεία και τον φίλο και συμφοιτητή μου Ηλία Αλαφογιάννη για την βοήθεια που μου πρόσφερε και τις χρήσιμες παρατηρήσεις του.

Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1: Η Αιολική ενέργεια... 1 1.1 Γενικά... 1 1.2 Χαρακτηριστικά ανεμογεννητριών... 1 1.3 Αιολική Ενέργεια και Περιβάλλον... 2 1.4 Άλλες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας... 3 1.5 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας... 4 1.6 Οι Α.Π.Ε σήμερα... 5 Κεφάλαιο 2: Άνεμος και Ανεμογεννήτριες... 9 2.1 Άνεμος... 9 2.2 Ανεμογεννήτριες... 10 2.3 Ανεμογννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα... 11 2.3.1 Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα... 11 2.3.2.Κάθετου άξονα... 12 2.3.3 Σύγκριση ανεμογεννήτριας οριζόντιου και κάθετου άξονα... 13 2.4 Δομή της ανεμογεννήτριας... 14 2.5 Ανεμολογικά Χαρακτηριστικά... 15 Κεφάλαιο 3: Γεννήτριες και Ηλεκτρονικά ισχύος που χρησιμοποιούνται στις ανεμογεννήτριες... 21 3.1Τοπολογίες ανεμογεννητριών... 21 3.1.1 Ανεμογεννήτριες Σταθερών Στροφών... 21 3.1.2 Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών... 21 3.1.3 Σύγκριση των δύο τύπων ανεμογεννητριών... 22 3.2 Μηχανικός έλεγχος ισχύος στον ανεμοκινητήρα... 22 3.2.1Γωνία βήματος πτερυγίου... 23 3.2.2Απώλεια στήριξης... 23 3.3.1 Ασύγχρονη Μηχανή... 24 3.3.1.1 Επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού(csig)... 24 3.3.1.2α Επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση-optislip γεννήτρια... 25 3.3.1.2β Επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας... 25 3.3.1.3 Ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού συνδεδεμένη μέσω full-scale frequency converter στο δίκτυο... 27 3.3.2 Σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα... 27

3.3.3 Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη... 28 3.3.4 Συνοπτική παρουσίαση τοπολογιών... 28 3.4 Διατάξεις με ηλεκτρονικά ισχύος... 30 3.4.1 Ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής (Soft-starter)... 30 3.4.2 Συστοιχία πυκνωτών... 30 3.4.3 Μετατροπείς συχνότητας (back-to-back)... 31 Κεφάλαιο 4: Το υπό μελέτη σύστημα... 33 4.1 Έλεγχος της DFIG.... 33 4.2 Χρησιμοποιούμενο μοντέλο συστήματος-... 33 Μετασχηματισμός Park... 33 4.3 Μαθηματικό μοντέλο... 35 4.3.1 Επαγωγική μηχανή... 35 4.3.2 Ο Μετατροπέας στη πλευρά του δικτύου... 37 4.3.3 DC διασύνδεση... 38 4.4 Το συνολικό μοντέλο στο χώρο κατάστασης... 38 4.5 Έλεγχος... 40 4.5.1 Το σχήμα ελέγχου με ΡΙ ελεγκτές... 40 4.5.2 Υπολογισμός κερδών των εσωτερικών ΡΙ ελεγκτών... 41 4.6 Λειτουργία υπό σφάλμα στο δίκτυο... 43 Κεφάλαιο 5: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ... 45 5.1 Γενικά... 45 5.2 Χαρακτηριστικά του συστήματος... 46 5.2.1 ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΕΡΔΩΝ... 47 5.3 Αποτελέσματα... 49 5.3.1 Περίπτωση με Μεταβολή Ανέμου... 49 5.3.2 Περίπτωση Πτώση Τάσης του Δικτύου... 59 5.4 Συμεπράσματα... 72 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 73

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στη διπλωματική αυτή εργασία μελετήθηκε η λειτουργία ανεμογεννήτριας με ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας και η αδιάλειπτη λειτουργία της μετά από πτώση τάσης του δικτύου. Συγκεκριμένα παρατέθηκαν οι εξισώσεις στο χώρο κατάστασης πού περιγράφουν το μαθηματικό μοντέλο της μηχανής συμπεριλαμβανομένου και του μετατροπέα backto-back και του πυκνωτή της dc-link. Έπειτα προτάθηκε ένα σύστημα ελέγχου με PI ελεγκτές που σκοπό έχουν να διατηρούν σταθερή την συνεχή τάση του πυκνωτή στη dc-link παρά τις μεταβολές του ανέμου και την εναλλασσόμενη τάση στο στάτη της μηχανής παρά την πτώση τάσης του δικτύου. Τέλος προσομοιώσαμε το μοντέλο της μηχανής με το Simulink του MATLAB. Αναλυτικά, το κεφάλαιο 1 αναφέρεται στην αιολική ενέργεια, τον τρόπο που την εκμεταλλευόμαστε, τους τύπους ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται σήμερα. Επίσης γίνεται μία αναφορά στις υπόλοιπες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) καθώς και στα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους γενικά των ΑΠΕ. Στο τέλος του κεφαλαίου δίνονται στατιστικά στοιχεία για την αδειοδότηση αλλά και για την εγκατεστημένη ισχύ στην Ελλάδα σήμερα από αιολικά πάρκα καθώς και για την θέση της αιολικής ενέργειας σε σχέση με τις υπόλοιπες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται η εκμετάλλευση του ανέμου και οι διάφορες τοπολογίες ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται, η λειτουργία τους, τα πλεονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα της κάθε τοπολογίας. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η δομή της ανεμογεννήτριας στο εσωτερικό της ατράκτου. Έπειτα παρουσιάζονται τα ανεμολογικά χαρακτηριστικά και δίνεται έμφαση στις σχέσεις που μας δίνουν τη ροπή και την ισχύ του ανέμου σε σχέση με την ταχύτητά του καθώς και τη σχέση τους με τη ροπή και την ισχύ της γεννήτριας. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται όλα τα είδη γεννητριών που χρησιμοποιούνται στις ανεμογεννήτριες, τα ήδη των ελέγχων που εφαρμόζονται στις ανεμογεννήτριες καθώς και τα ηλεκτρονικά ισχύος που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση των ανεμογεννητριών με το δίκτυο. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται ανάλυση της ασύγχρονης μηχανής διπλής τροφοδοσίας με τη χρήση του μετασχηματισμού Park. Επίσης υπολογίζουμε τις διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν το μαθηματικό μοντέλο της μηχανής στη συνέχεια προτείνουμε ένα σύστημα ελέγχου της επαγωγικής γεννήτριας κάνοντας χρήση PI ελεγκτών και τέλος αναλύεται η μέθοδος επιλογής των κερδών των PI ελεγκτών. Στο κεφάλαιο 5 αναφέρονται τα χαρακτηριστικά του συστήματος και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα, γραφικές παραστάσεις, από την προσομοίωση του συστήματος. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε.

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 1 Κεφάλαιο 1 Η Αιολική ενέργεια 1.1 Γενικά Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) είναι αναπόσπαστο κομμάτι του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Η αιολική ενέργεια είναι μία μορφή ανανεώσιμης πηγής 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 είναι η δεύτερη σημαντική μορφή, μετά την υδροηλεκτρική, που μπορεί να δώσει αξιόλογα μεγέθη ισχύος τόσο σε τοπικό όσο και σε ευρύτερο επίπεδο. Ένα μεγάλο ποσοστό της παγκόσμιας παραγωγής σε ηλεκτρική ενέργεια από ΑΠΕ πραγματοποιείται από αιολικά πάρκα, ενώ αναμένεται πολύ εντονότερη και συνεχής αύξησή του. Οι στόχοι της Ελλάδος στα πλαίσια της Ευρωπαϊκής Ένωσης είναι το 20% της συνολικής ενέργειας να προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές το 2020. Η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται συνήθως: Για παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές συνδεδεμένες στο δίκτυο είτε για την κάλυψη ίδιων αναγκών, είτε για την πώληση του ρεύματος στην εταιρεία εκμετάλλευσης του δικτύου. Για παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές που δεν είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο, για λειτουργία είτε μόνες τους με συσσωρευτές, είτε σε συνδυασμό με σταθμό ηλεκτροπαραγωγής με ντίζελ. Για θέρμανση (π.χ. σε θερμοκήπια) με διαδοχική μετατροπή της σε ηλεκτρισμό και ακολούθως σε θερμότητα με τη χρήση ηλεκτρικής αντίστασης ή με την κίνηση αντλιών θερμότητας. Η αιολική ενέργεια μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στη μείωση των ρύπων της ατμόσφαιρας. Κάθε MW αιολικής ισχύος αποτρέπει 3,2 τόνους σωματιδίων τον χρόνο, 5 τόνους οξειδίων αζώτου, 6 τόνους διοξειδίου του θείου και 3.000 και περισσότερους τόνους διοξειδίου του άνθρακα τον χρόνο. 1.2 Χαρακτηριστικά ανεμογεννητριών Παλιότερα οι ανεμογεννήτριες ήταν μικρές και χρησιμοποιούνταν απευθείας στο δίκτυο(χωρίς ηλεκτρονικά ισχύος). Σήμερα χρησιμοποιούνται μεγάλοι τριπτέρυγοι ανεμοκινητήρες από 1,5 έως 5MW, με διάμετρο 70-100 μέτρα, ενώ το ύψος τους φτάνει περίπου τα 130 μέτρα μαζί με τον πυλώνα. Η τεχνολογία μεταβλητού βήματος και η τεχνολογία μεταβλητής ταχύτητας είναι οι κύριες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται. Οι σύγχρονες κατασκευές στις ανεμογεννήτριες έχουν μια ενδιάμεση μετατροπή σε συνεχές ρεύμα, από εναλλασσόμενο σε συνεχές και μετά σε εναλλασσόμενο, είτε συνολικά είτε μέσω του δρομέα ανάλογα με τον τύπο της γεννήτριας. Με αυτές τις σύγχρονες

2 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης τεχνολογίες επιτυγχάνεται σημαντική αύξηση του βαθμού απόδοσης των αιολικών συστημάτων και η λειτουργία τους με τη μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο, να περιορίζουν τα φορτία στις υψηλές ταχύτητες, να δίνουν επί πλέον βοηθητικές υπηρεσίες που είναι απαραίτητες για το δίκτυο, να αντιμετωπίζουν σφάλματα στο δίκτυο και βέβαια να έχουν βελτιωμένα περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά σε σχέση με τον θόρυβο και άλλα. Τέλος, να μειώνουν το κόστος της αιολικής κιλοβατώρας λόγω οικονομίας κλίμακας. Αυτό σημαίνει ότι οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες έχουν δυνατότητα λειτουργίας σε ταχύτητες ανέμου από 4 έως 25 m/sec σε αντίθεση με τις παλαιάς τεχνολογίας που λειτουργούσαν με πολύ καλό βαθμό απόδοσης στα 12-14 m/sec. 1.3 Αιολική Ενέργεια και Περιβάλλον Περιβαλλοντικοί λόγοι έχουν επιβάλλει τα τελευταία χρόνια μια μεγάλη αύξηση στον αριθμό των εγκαταστημένων ανεμογεννητριών παγκόσμια. Οι επιπτώσεις στο τοπικό φυσικό περιβάλλον των αιολικών συστημάτων αφορούν δύο ξεχωριστά στάδια των έργων: αυτό της κατασκευής και στη συνέχεια της λειτουργίας. Κατά τη φάση της κατασκευής αναμένονται αρνητικές επιπτώσεις στα είδη χλωρίδας στην περιοχή κατασκευής του πάρκου αλλά κρίνονται ως παροδικές και σχεδόν ολικά αντιστρέψιμες αφού μετά το πέρας της κατασκευής θα είναι δυνατός ο φυσικός επανεποικισμός περιοχών που διαταράχθηκαν και δεν καταλαμβάνονται από τεχνικά έργα. Ο σχεδιασμός του έργου γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε η οποιαδήποτε φθορά της δασικής βλάστησης να περιοριστεί στο ελάχιστο. Η εγκατάσταση τέτοιων έργων στην Ελλάδα γίνεται συνήθως σε απομακρυσμένες ορεινές περιοχές σε άγονη, ακαλλιέργητη και ανεκμετάλλευτη γη. Όσο αφορά τη χερσαία πανίδα δεν αναμένεται να υποστεί επιπτώσεις από την κατασκευή του έργου. Ενδεχομένως κάποια είδη πανίδας να υποχωρήσουν ελαφρά κατά τη διάρκεια της κατασκευής και διαμόρφωσης του αιολικού πάρκου(λόγω θορύβου, σκόνης κ.α.) Έχει παρατηρηθεί ότι μετά τη λήξη των εργασιών η πανίδα αποκαθίστανται εφόσον δεν υπάρχουν περιφράξεις και παρουσία ανθρώπων. Η έκταση της καταλαμβανόμενης γης από το αιολικό πάρκο ουσιαστικά αφορά στον οικισμό του κέντρου ελέγχου και τις βάσεις των ανεμογεννητριών και αποτελεί πάρα πολύ μικρό ποσοστό της συνολικής επιφάνειας του χώρου εγκατάστασης. Έχει αποδειχτεί ότι σε ένα αιολικό πάρκο μπορούν να συνυπάρχουν αρμονικά δύο χρήσεις και συγκεκριμένα στο 2% περίπου της επιφάνειας του οι ανεμογεννήτριες και στο υπόλοιπο 98% η βοσκή ή η αγροτική καλλιέργεια. Ένα από τα πλεονεκτήματα της κατασκευής του αιολικού πάρκου είναι η διάνοιξη της εσωτερικής οδοποιίας και η τυχόν βελτίωση των οδών προσπέλασης σε αυτό. Από το σύνολο της πανίδας μόνο τα πουλιά μπορεί να επηρεασθούν από το αιολικό πάρκο κυρίως με θανάτωση (ή τραυματισμό) μετά από προσκρούσεις στους ανεμοκινητήρες. Παρά όλα αυτά έρευνες έχουν αποδείξει ότι οι θάνατοι (ή τραυματισμοί) από προσκρούσεις σε ανεμογεννήτριες είναι πολύ λιγότερες από τους θανάτους που προέρχονται από συγκρούσεις πουλιών με διάφορες κατασκευές των ανθρώπων όπως εναέριες ηλεκτρικές γραμμές, πυλώνες, ιστοί, κινούμενα οχήματα κλπ..επιπλέον η υγρασία, η θερμοκρασία, η ατμόσφαιρα, τα

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 3 υπόγεια ύδατα και το κλίμα της περιοχής δεν επηρεάζονται σε καμία περίπτωση από το έργο. Όλο το σύστημα ισχύος λειτουργεί σε ιδιαίτερα χαμηλές συχνότητες (μικρότερες των 100Hz) και ως εκ τούτου δεν υφίσταται απολύτως κανένα θέμα εκπομπής ηλεκτρομαγνητικής ή οποιαδήποτε άλλης μορφής ακτινοβολίας. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο της ηλεκτρογεννήτριας είναι εξαιρετικά ασθενές και περιορίζεται σε μία πολύ μικρή απόσταση γύρω από το κέλυφος της που είναι τοποθετημένο ψηλά στην άτρακτο της Α/Γ, τουλάχιστον 50 μέτρα πάνω από το έδαφος για μία ανεμογεννήτρια των 2 MW.Η επίδραση του πεδίου αυτού αποσβένεται εκθετικά με την απόσταση έτσι ώστε να μην δημιουργείται πρόβλημα ούτε κοντά στη βάση της. Ο μετασχηματιστής, όταν δεν βρίσκεται μέσα στην άτρακτο, περιβάλλεται πάντα από περίφραξη ασφαλείας ή είναι κλεισμένος σε μεταλλικό υπόστεγο. Γενικά, τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που εμφανίζονται είναι τα συνήθη ακίνδυνα πεδία που εμφανίζονται στα δεκάδες χιλιάδες χιλιόμετρα του δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας χαμηλής ή μέσης τάσης που τροφοδοτεί και τα σπίτια μας. Το μόνο πρόβλημα από τις ανεμογεννήτριες προέρχεται από τα κινούμενα πτερύγια που μπορούν να προκαλέσουν αυξομείωση άλλων σημάτων (κυρίως στις συχνότητες εκπομπών FM από τηλεπικοινωνιακούς ή ραδιοτηλεοπτικούς σταθμούς ) λόγω ανακλάσεων σε αυτά. Τα πτερύγια των σύγχρονων ανεμογεννητριών όμως κατασκευάζονται από υλικά τα οποία έχουν ελάχιστη επίπτωση στη μετάδοση των σημάτων αυτών εφόσον τηρούνται κάποιες ελάχιστες από τους αναμεταδότες, πράγμα που προβλέπεται από τη νομοθεσία κατά την αδειοδότηση. Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες είναι σχεδόν αθόρυβες. Ο μηχανικός θόρυβος των παλαιότερων μηχανών έχει πρακτικά εκμηδενιστεί, ενώ έχει μειωθεί στο ελάχιστο και ο αεροδυναμικός θόρυβος. Ο θόρυβος που παράγουν είναι διακριτός όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι 7-8m/s. Σε μεγαλύτερες ταχύτητες ανέμου και σε απόσταση λίγων εκατοντάδων από αυτές ο οποιοσδήποτε θόρυβος τους καλύπτεται από το φυσικό περιβάλλον του ανέμου που προσπίπτει στο ανάγλυφο του περιβάλλοντος(βλάστηση, λόφοι,οικήματα κλπ.) Όλες οι τελευταίες τεχνολογίες μείωσης του μηχανικού και αεροδυναμικού θορύβου, εξασφαλίζουν ότι το πάρκο δεν θα προκαλέσει σημαντική αύξηση της υπάρχουσας στάθμης θορύβου εκτός των ορίων του. Οι ανεμογεννήτριες δεν παράγουν ούτε CO 2, ούτε οξείδια του αζώτου, αλλά ούτε και οξείδια του θείου, ενώ παράλληλα δεν απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας για την συνολική κατασκευή και λειτουργία τη δική τους και των πάρκων. 1.4 Άλλες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Γεωθερμική Ενέργεια. Υδροηλεκτρική Ενέργεια. Ηλιακή Ενέργεια. Βιομάζα. Παλιρροική Ενέργεια.

4 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης Εικόνα 1.1 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην ελληνική επικράτεια Στην παραπάνω εικόνα φαίνεται η ύπαρξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην Ελλάδα καθώς και η εκμεταλλέυσή τους ή η πρόθεση εκμεταλλέυσής τους σε εκείνες τις περιοχές.επίσης φαίνεται η παρουσία του ηλεκτρικού δικτύου στην ηπειρωτική Ελλάδα. 1.5 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Πλεονεκτήματα 1. Είναι πολύ φιλικές προς το περιβάλλον, έχοντας ουσιαστικά μηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα. 2. Δεν πρόκειται να εξαντληθούν ποτέ, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα. 3. Μπορούν να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών, καθώς και να αποτελέσουν την εναλλακτική πρόταση σε σχέση με την οικονομία του πετρελαίου. 4. 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. 5. Ο εξοπλισμός είναι απλός στην κατασκευή και τη συντήρηση και έχει μεγάλο χρόνο ζωής. 6. Επιδοτούνται από τις περισσότερες κυβερνήσεις. Μειονεκτήματα 1. Έχουν αρκετά μικρό συντελεστή απόδοσης, της τάξης του 30% ή και χαμηλότερο. Συνεπώς απαιτείται αρκετά μεγάλο αρχικό κόστος εφαρμογής σε μεγάλη επιφάνεια γης. Γι' αυτό το λόγο μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται σαν συμπληρωματικές πηγές ενέργειας. 2. Για τον παραπάνω λόγο προς το παρόν δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων.

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 5 3. 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. 4. 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. 5. Για τα υδροηλεκτρικά έργα λέγεται ότι προκαλούν έκλυση μεθανίου από την αποσύνθεση των φυτών που βρίσκονται κάτω απ' το νερό κι έτσι συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. 1.6 Οι Α.Π.Ε σήμερα Οι στόχοι της Ελλάδας για την ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μέχρι το 2020 είναι το 20% της ενέργειας που παράγεται να προέρχεται από ΑΠΕ για την υλοποίηση αυτού του στόχου απαιτούνται 10.000 ΜW αιολικών πάρκων, δηλαδή πολλές φορές περισσότερα από τα 1.300ΜW που λειτουργούσαν μέχρι το τέλος του 2010. Η Ελληνική Επιστημονική Ένωση Αιολικής Ενέργειας (ΛΕΤΕΑΝ) ονόμασε τη δεκαετία του 2010-2020 δεκαετία ανέμου. Η αιολική ενέργεια δεν αποτελεί πλέον περιθωριακή ενεργειακή τεχνολογία αλλά μία ώριμη βιομηχανία και μία αναπτυσσόμενη οικονομική αγορά. Η ελληνική κυβέρνηση το καλοκαίρι του 2010 κατάρτισε το Εθνικό Σχέδιο Δράσης για τις ΑΠΕ. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν διαθέσιμα δύο ευρωπαϊκά προγράμματα το πρόγραμμα ΝΕR 300 έχει στόχο να ενθαρρύνει τους επενδυτές του ιδιωτικού τομέα και των κρατών-,ελών της Ευρωπαϊκής ένωσης να επενδύσουν σε έργα επίδειξης καινοτόμων τεχνολογιών ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, στην πορεία προς μία οικονομία χαμηλού άνθρακα και το INTELLIGENT ENERGY EUROPE (ΙΕΕ) που διευκολύνει την εφαρμογή του Ευρωπαϊκού Σχεδίου Δράσης για την Ενεργειακή Αποδοτικότητα. Αποτελεί το κύριο εργαλείο της Ευρωπαϊκής Ένωσης για την αντιμετώπιση των μη τεχνολογικών εμποδίων στη διάδοση της Ενεργειακής Αποδοτικότητας και την προώθηση της χρήσης των ΑΠΕ σε όλους τους τομείς, συμπεριλαμβανομένων των μεταφορών. Ενδεικτικοί τύποι δράσεων που υποστηρίζονται από το πρόγραμμα είναι, μεταξύ άλλων, η ευρωπαϊκή ανταλλαγή εμπειριών/τεχνογνωσίας, η διάδοση καλών πρακτικών, η ενίσχυση θεσμικής και διοικητικής ικανότητας, η εκπαίδευση και επιμόρφωση, η δημιουργία προτύπων και προδιαγραφών κα. Για να καλυφθούν οι ηλεκτρικές ανάγκες όλης της χώρας το 2020, που εκτιμώνται σε 70 TWh, θα χρειαζόντουσαν θεωρητικά 15.000 περίπου ανεμογεννήτριες ισχύος 2MW, των οποίων η ανάπτυξη θα γινόταν σε έκταση ίση με 15.000 x 2 = 30.000 στρέμματα, δηλαδή κάτω από το 0,03%, της επιφάνειας της Ελλάδος ενώ το υπόλοιπο θα ήταν ελεύθερο για αγροτικές ή άλλες χρήσεις. Οι στόχοι της ελληνικής νομοθεσίας για το ελληνικό ενεργειακό σύστημα το 2020 έχει ως εξής:

6 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης Συμμετοχή της ενέργειας που παράγεται από Α.Π.Ε. στην ακαθάριστη τελική κατανάλωση ενέργειας Συμμετοχή της ενέργειας που παράγεται από Α.Π.Ε. στην ακαθάριστη τελική κατανάλωση ενέργειας Συμμετοχή της ενέργειας που παράγεται από Α.Π.Ε. στην τελική κατανάλωση ενέργειας στις μεταφορές Συμμετοχή της ενέργειας που παράγεται από Α.Π.Ε. στην τελική κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση και ψύξη 20% 40% 20% 10% Πίνακας 1 Η Ελληνική Κυβέρνηση το καλοκαίρι του 2010 κατάρτισε το Εθνικό Σχέδιο Δράσης για τις Α.Π.Ε. το οποίο θέτει τις ελάχιστες απαιτήσεις σε εγκαταστάσεις Α.Π.Ε. για τη δεκαετία 2010-2020. Εικόνα 1.2 Εθνικό Σχέδιο Δράσης, Ελλάδα ΥΠΕΚΑ, καλοκαίρι 2010 Για την πραγματοποίηση των παραπάνω στόχων επιβάλλεται να πολλαπλασιάσουμε τους ρυθμούς και τις προσπάθειες μας. Σύμφωνα με τον ΔΕΣΜΗΕ κατά το έτος 2010-2011 εγκαταστάθηκαν και λειτουργούν:

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 7 Πίνακας 2 Πίνακας 3 Εικόνα 1.3 Εγγεγραμμένα Αιολικά ανά 3μηνό για το έτος 2010-2011. Σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή Ένωση Αιολικής Ενέργειας κατά τη διάρκεια του έτους 2011 10.281MW αιολικής ενέργειας εγκαταστάθηκε στην Ευρώπη, από τα οποία τα 9.616ΜW εγκαταστάθηκαν σε μέλη-κράτη της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Από τα 9.616ΜW που εγκαταστάθηκαν τα 8.750MW ήταν από χερσαίες εγκαταστάσεις και τα 866MW από υπεράκτια πάρκα. Σε αντίθεση με το 2010 που οι χερσαίες εγκαταστάσεις είχαν μειωθεί από το προηγούμενο έτος(2009) το 2011 παρέμειναν σταθερές σε σχέση με το 2010. Στο επόμενο διάγραμμα φαίνεται το μερίδιο αγοράς των κρατών μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης κατά τη διάρκεια του 2011.Φαίνεται ότι το μεγαλύτερο μερίδιο της αγοράς κατέχει η Γερμανία.

8 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης Εικόνα 1.4 Μερίδιο Αγοράς Ε.Ε Αξίζει να σημειωθεί και η θέση που κατέχει η αιολική ενέργεια σε σχέση με τις υπόλοιπες μορφές ενέργειας. Στη διάρκεια του 2011 εγκαταστάθηκε 21% της συνολικής προερχόταν από τον άνεμο και κατείχε την τρίτη θέση μετά από την ηλιακή ενέργεια και το πετρέλαιο. Η συνολική κατανομή της ενέργειας παρουσιάζεται στο παρακάτω διάγραμμα. Εικόνα 1.5 Συνολική κατανομή Αξίζει να σημειωθεί ότι το 2011 αποτέλεσε χρονιά ρεκόρ στην Ευρωπαϊκή Ένωση, με τα 45GW της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας να προέρχεται από την αιολική ενέργεια 3,9% παραπάνω από ότι ήταν το 2010.

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 9 2.1 Άνεμος Κεφάλαιο 2 Άνεμος και Ανεμογεννήτριες Οι άνεμοι αποτελούν κίνηση αέριας μάζας στην ατμόσφαιρα που προκαλείται από την ηλιακή ακτινοβολία. Ειδικότερα είναι αποτελεσμα των θερμοκρασιακών διαφορών που σημιουργούνται στην ατμόσφαιρα είτε λόγω γεωγραφικού πλάτους λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης. Οι διαφορετικές γεωγραφικές θερμοκρασίες οφείλονται σε 2 κυρίως παράγοντες: 1. την υψομετρική διαφορά μεταξύ 2 σημείων και 2. 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 εηρεάζονται από την περιστροφή της γης γύρω από τον αξονά 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 στη θάλασσα όπου υπάρχει διαφορετικός βαθμός θέρμανσης ή ψύξης του εδάφους και του υδάτινου όγκου. Εικόνα 2.1 Δυναμική ενέργεια του ανέμου κατά γεωγραφικές περιοχές Στον παραπάνω χάρτη της Ελλάδος φαίνεται η δυναμική ενέργεια του ανέμου κατά γεωγραφικές περιοχές.

10 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 2.2 Ανεμογεννήτριες Η σπουδαιότητα της δύναμης του ανέμου παρατηρήθηκε από την αρχαιότητα. Αυτό αποδεικνύεται από την ελληνική μυθολογία όπου ο ίδιος ο Δίας είχε ορίσει ειδικό «διαχειριστή» των ανέμων τον Αίολο, ο οποίος τους κατεύθυνε από τη μυθική νήσο του, την Αιολία. Εξάλλου, ο εγκλωβισμός των ανέμων στον ασκό του Αιόλου, κατά τον Όμηρο, δείχνει ακριβώς την ανάγκη των ανθρώπων να διαθέτουν τους ανέμους στον τόπο και το χρόνο που ήθελαν. Για πολλές εκατοντάδες χρόνια, η κίνηση των πλοίων στηριζόταν στην δύναμη του ανέμου, ενώ γινόταν εκτεταμένη χρήση του ανεμόμυλου, ως κινητήριας μηχανής, κυρίως στον αγροτικό τομέα. Η χρήση της όμως άρχισε να ατονεί περίπου στις αρχές του αιώνα, λόγω της εμφάνισης άφθονων και φθηνών ορυκτών καυσίμων. Αργότερα, το ενδιαφέρον για την εκμετάλλευση της ενέργειας του ανέμου, κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, εκδηλώθηκε έντονα περί τα μέσα της δεκαετίας του 70 και ήταν αποτέλεσμα της πετρελαϊκής κρίσης, που είχε εν τω μεταξύ ξεσπάσει. Από τότε, μέχρι σήμερα υπάρχει μία συνεχώς αυξανόμενη τάση για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της εκμετάλλευσης της ενέργειας του ανέμου. Οι πρώτοι ανεμοκινητήρες που είχαν πρακτική εφαρμογή κατασκευάστηκαν στο Σιστάν, μια περιοχή ανάμεσα στο σημερινό Αφγανιστάν και Ιράν κατά τον 7 ο αιώνα. Οι ανεμόμυλοι αυτοί χρησιμοποιήθηκαν για την άλεση καλαμποκιού και για την άντληση νερού. Κατά τον 14 ο αιώνα στην Ολλανδία, ανεμόμυλοι χρησιμοποιήθηκαν για την αποξήρανση περιοχών στο ποταμό Ρήνο. Ήδη το 1900 στη Δανία υπήρχαν περισσότεροι από 2500 ανεμοκινητήρες για μηχανικά φορτία, όπως αντλίες και μύλοι. Με την πάροδο του χρόνου περάσαμε στην εποχή των ανεμοκινητήρων ανεμογεννητριών και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αυτές. Η πρώτη γνωστή ανεμογεννήτρια που λειτουργούσε, ήταν μια μηχανή φόρτισης μπαταρίας, που εγκαταστάθηκε το 1887 από τον James Blyth στη Σκωτία. Η πρώτη ανεμογεννήτρια για την παραγωγή ενέργειας λειτούργησε το 1888 στο Κλήβελαντ του Οχάιο από τον Charles F.Brush.Το 1908 είχαν εγκατασταθεί ήδη 72 ανεμογεννήτριες από 5-25 kv. Οι μεγαλύτερες από αυτές τις μηχανές είχαν 24 μέτρα πύργο και είχαν πτερύγια των οποίων η διάμετρος ήταν 23 μέτρα. Στη δεκαετία του 1930 οι ανεμογεννήτριες σε φάρμα ήταν μια πολύ συνηθισμένη εικόνα για τις Ηνωμένες Πολιτείες στις οποίες το ηλεκτρικό δίκτυο δεν ήταν ακόμα αρκετά εξοπλισμένο. Οι ανεμογεννήτριες αυτές είχαν κάθετο άξονα. Ένας από τους πρώτους προγόνους των μοντέρνων ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα που χρησιμοποιούνται σήμερα μπήκε σε λειτουργία στη Γιάλτα της πρώην Σοβιετικής Ένωσης το 1931. Η ανεμογεννήτρια αυτή ήταν 100 kw και συνδέθηκε με το τοπικό δίκτυο των 6.3 kv. Η πρώτη ανεμογεννήτρια της τάξης του mega watt εγκαταστάθηκε στο Βέρμοντ το 1941, αν και μπόρεσε να δουλέψει μόνο για 1100 ώρες. Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω οι ανεμογεννήτριες κατασκευάστηκαν για την εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας του ανέμου με σκοπό την παραγωγή ενέργειας. Η κινητική ενέργεια του ανέμου μέσω των ανεμογεννητριών μετατρέπεται αρχικά σε μηχανική και ακολούθως σε ηλεκτρική. Έτσι, η τεχνολογία των ανεμογεννητριών παρουσίασε μεγάλη εξέλιξη τα τελευταία χρόνια με αντίστοιχη μείωση του κόστους παραγωγής της παραγόμενης ενέργειας.

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 11 Σε ένα μέσο αιολικό πάρκο, μια ανεμογεννήτρια θα έχει αποσβέσει όλη την ενέργεια που έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή, εγκατάσταση και λειτουργία της σε διάστημα μικρότερο των 3 μηνών. Με ένα μέσο όρο 20 χρόνων ζωής αυτό μας δίνει απόδοση 8000%. Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών εξελίσσεται συνεχώς, σήμερα το εμπορικό μέγεθος των ανεμογεννητριών, δηλαδή το μέγεθος, το οποίο παρουσιάζει την βέλτιστη σχέση κόστους οφέλους, κυμαίνεται μεταξύ 0,6 και 1,5MW. Όμως σε στάδιο δοκιμών λειτουργούν ανεμογεννήτριες μέχρι 3MW και σχεδιάζονται και μέχρι 5MW. Μείωση του κόστους επιτυγχάνεται με την εγκατάσταση περισσοτέρων ανεμογεννητριών στην ίδια θέση, οπότε σχηματίζονται αιολικά πάρκα, συνήθως συνολικής ισχύος μέχρι 40MW. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται η εξέλιξη της τεχνολογίας των ανεμογεννητριών στην πάροδο των χρόνων. Εικόνα 2.2 Ιστορική εξέλιξη των ανεμογεννητριών Πριν φτάσουμε στην κλασσική μορφή των ανεμογεννητριών,όπως τις ξέρουμε σήμερα, η μορφή τους έχει περάσει από πολλά στάδια. Έχουν δοκιμαστεί πολλές λύσεις όσο αφορά στον αριθμό των πτερυγίων αλλα και στον προσανατολισμό του άξονα σε σχέση με τη ροή του ανέμου σε ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα. 2.3 Ανεμογννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα 2.3.1 Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Οι ανεμογεννήτριες οι οποίες περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα οριζόντιο ως προς το επίπεδο του εδάφους ονομάζονται οριζόντιου άξονα, χαρακτηρίζονται και κατηγοριοποιούνται με βάση των αριθμό των πτερυγίων τους. Υπάρχουν οι μονοπτέρυγες, οι διπτέρυγες, οι τριπτέρυγες και οι πολυπτέρυγες που έχουν περισσότερα από τρία πτερύγια. Είτε για λόγους αισθητικής είτε για λόγω προβλημάτων στην εξισορρόπηση δυνάμεων της όλης κατασκευής κατά την

12 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης περιστροφή τους οι μονοπτέρυγες(που είναι και οι φθηνότερες όλων) και οι διπτέρυγες (αν και εκεί τα πράγματα είναι καλύτερα όσο αφορά την εξισορρόπηση των δυνάμεων). Η συντριπτική πλειοψηφία των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι οι τριπτέρυγες, το βασικό τους πλεονέκτημα είναι ότι είναι πιο σταθερές μιας και το αεροδυναμικό τους φορτίο κατανέμεται ομοιόμορφα ενώ και το μηχανικό εξισορροπείται. Εικόνα 2.3 Τριπτέρυγη ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα Μηχανές με μεγαλύτερο αριθμό πτερυγίων χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που απαιτείται μεγάλη ροπή εκκίνησης. 2.3.2.Κάθετου άξονα Είναι οι ανεμογεννήτριες οι οποίες περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα ο οποίος είναι κάθετος ως προς το επίπεδο του εδάφους. Οι ανεμογεννητριες κάθετου άξονα, από τον τρόπο της κατασκευής τους, "πιάνουν" τον αέρα από κάθε κατεύθυνση. Εικόνα 2.4 Ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα.

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 13 Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα τύπου "savonius" είναι οι απλούστερες σε ότι αφορά την κατασκευή τους. Αποτελούνται ουσιαστικά από ένα σωλήνα κομμένο στη μέση κατά μήκος, με τα δύο κομμάτια τοποθετημένα κάθετα όπως στο παρακάτω σχέδιο (αυτό που βλέπουμε όταν κοιτάμε κάθετα την ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα τύπου "savonius" από ψηλά): Εικόνα 2.5Κάτοψη ανεμογεννήτριας κάθετου άξονα τύπου <<savonius>> Υπάρχουν και άλλοι τύποι ανεμογεννήτριας κάθετου άξονα, που βελτιώνουν την απόδοση σημαντικά (πχ. "darrieus"), ποτέ όμως δεν φτάνουν την απόδοση μιας σωστά σχεδιασμένης ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα, για αυτό και έχουν επικρατήσει οι τελευταίες. 2.3.3 Σύγκριση ανεμογεννήτριας οριζόντιου και κάθετου άξονα Εικόνα 2.6 Ανεμογεννήτριες οριζόντιου και κατακόρυφου άξονα Στην κατασκευή ανεμογεννήτριας κάθετου άξονα, έχουμε τα εξής πλεονεκτήματα: 1. Ανάλογα με τον τύπο ανεμογεννήτριας κάθετου άξονα, έχουμε πολύ μεγαλύτερη ευκολία κατασκευής σε σχέση με την κατασκευή ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα. Κυρίως όσον αφορά την ευκολότερη κατασκευή (ιδιοκατασκευή) των πτερυγίων και την έλλειψη της ανάγκης για μηχανισμό φρεναρίσματος της ανεμογεννήτριας σε υψηλές ταχύτητες ανέμου. 2. Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα δεν χρειάζεται να προσανατολίζονται κάθε φορά ως προς την κατεύθυνση του ανέμου. Λόγω κατασκευής

14 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης "πιάνουν" τον αέρα από όλες τις κατευθύνσεις. Αυτό τις κάνει καταλληλότερες σε τοποθεσίες όπου ο αέρας δεν είναι σταθερός ή όπου περιβάλλονται από κάποια μικρά εμπόδια (με σημαντικά μειωμένη απόδοση όμως). 3. Το κόστος κατασκευής τους είναι χαμηλότερο από το κόστος κατασκευής μιας ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα λόγω απλούστερου σχεδιασμού. 4. Είναι ασφαλέστερες διότι δεν υπάρχει ο κίνδυνος να σπάσει κάποιο πτερύγιο, ούτε κινούνται με την μεγάλη ταχύτητα στροφών που κινούνται οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα. Αντίθετα, τα μειονεκτήματα μιας ανεμογεννήτριας κάθετου άξονα είναι κυρίως τα εξής: 1. Το πρώτο και σημαντικότερο μειονέκτημα είναι ότι οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα έχουν πολύ χαμηλή απόδοση. Αυτό ισχύει σε μεγάλο βαθμό για τον τύπο "savonius" όπου δεν ξεπερνούν το 15%, αλλά και στους άλλους τύπους σε μικρότερο βαθμό (μια καλή μικρή ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα έχει μέση απόδοση 30%-40%). 2. Από το προηγούμενο προκύπτει ότι για να έχει μια ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα την ίδια περίπου παραγωγή με μια οριζόντιου άξονα, θα πρέπει η κάθετου άξονα να έχει μέχρι και τριπλάσια επιφάνεια επαφής με τον αέρα. Αυτό συνεπάγεται μεγάλο όγκο και βάρος της κατασκευής. 3. Λόγω χαμηλότερων στροφών περιστροφής ανά λεπτό, χρειάζονται πιο ισχυρούς ανέμους για να ξεκινήσουν την φόρτιση των συσσωρευτών (με δεδομένο το ίδιο μοτέρ σε οριζόντιου άξονα ανεμογεννήτρια). 2.4 Δομή της ανεμογεννήτριας Στο επόμενο σχήμα φαίνεται το εσωτερικό μιας τυπικής ανεμογεννήτριας. Εικόνα 2.7 Δομή ατράκτου.

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 15 Από την τομή της ατράκτου διακρίνουμε: τον άξονα χαμηλών ταχυτήτων, το κιβώτιο χαμηλών ταχυτήτων, τη γεννήτρια, το φρένο, τον μηχανισμό περιστροφής της ατράκτου, το μηχανισμό ελέγχου βήματος των πτερυγίων, το ανεμόμετρο, τον ανεμοδείκτη και τον ηλεκτρονικό ελεγκτή. Ο δρομέας αποτελείται από την πλήμνη και τα πτερύγια. Η πλήμνη είναι ένα μηχανικό εξάρτημα πάνω στο οποίο προσαρμόζονται τα πτερύγια. Το πτερύγιο έχει αεροδυναμικό σχήμα και μπορεί να είναι ενιαίο ή να διαθέτει ακροπτερύγιο. Η πλήμνη συνδέεται με τον άξονα χαμηλών στροφών, οποίος ενώνει την πλήμνη με το κιβώτιο ταχυτήτων, πρόκειται για τον άξονα του ρότορα του ανεμοκινητήρα. Από το κιβώτιο ταχυτήτων ξεκινάει ένας άλλος άξονας, ονομάζεται άξονας υψηλών ταχυτήτων και αποτελεί το δρομέα της γεννήτριας. Η ηλεκτρική γεννήτρια μπορεί να είναι ασύγχρονη ή σύγχρονη γεννήτρια. Γενικά προτιμούνται οι ασύγχρονες γεννήτριες λόγω της απλότητας της κατασκευής τους, αν και οι σύγχρονες έχουν καλύτερη συμπεριφορά σε αδύνατα δίκτυα. Για την κατάλληλη προσαρμογή της τάσης στο δίκτυο η γεννήτρια συνδέεται με ένα μετασχηματιστή. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των πτερυγίων (αριθμός πτερυγίων, κατανομή πλάτους, επιλογή αεροτομής, συστροφή) προκύπτουν από την βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής σχεδίασης. Το σύστημα προσανατολισμού είναι ένας σερβοκινητήρας ο οποίος ελέγχεται από τον ανεμοδείκτη του ανεμογράφου και αναγκάζει το δρομέα να παρακολουθεί την κατεύθυνση του ανέμου και να παραμένει κάθετος σε αυτήν. Ο πύργος της ανεμογεννήτριας στηρίζει τη νασέλλα και το δρομέα. Μπορεί να είναι τύπου δικτυώματος, σωληνωτός και σπανιότερα από σκυρόδεμα. Η θεμελίωση γίνεται με οπλισμένο σκυρόδεμα πάνω στο οποίο τοποθετείται με βίδες ο πύργος. Ο πύργος έχει σχήμα κώνου που εξυπηρετεί στην αύξηση της αντοχής και στην εξοικονόμηση υλικών με τη διάμετρο να αυξάνεται όσο πλησιάζουμε τη βάση. Μεγάλης σημασίας είναι η γείωση που πρέπει να έχει η μεταλλική κατασκευή της ανεμογεννήτριας. 2.5 Ανεμολογικά Χαρακτηριστικά Η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να αντιμετωπιστεί σαν μια τυχαία μεταβλητή. Η πιθανότητα να εμφανιστεί μια κάποια τιμή της ταχύτητας του ανέμου μπορεί να περιγραφεί από μία συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας. Οι δύο πιο επικρατέστερες σχέσεις που περιγράφουν πως κατανέμεται η ταχύτητα του ανέμου είναι οι κατανομές Weibull και Rayleigh. Ύστερα από μετρήσεις που έχουν γίνει σε πραγματικές τιμές του ανέμου έχει αποδειχτεί ότι η κατανομή προσεγγίζει με μεγάλη ακρίβεια την ταχύτητα του ανέμου, με την προϋπόθεση ότι αναφέρεται σε μια χρονική περίοδο που δεν είναι πολύ μικρή. Στο παρακάτω σχήμα παρατίθεται το διάγραμμα της συνάρτησης κατανομής για διαφορετικές μέσες τιμές ταχύτητας ανέμου.

16 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης Εικόνα 2.8 Διάγραμμα κατανομής της πιθανότητας για διάφορες τιμές του ανέμου. Η στιγμιαία ισχύς του ανέμου δίνεται από τον τύπο: (2.1) Από την ανωτέρα σχέση φαίνεται η σπουδαιότητα της αξιοποίησης της ενέργειας του ανέμου σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου. Επειδή ο άνεμος απομακρύνεται από τον ανεμοκινητήρα με κάποια ταχύτητα και επειδή τα πτερύγια προκαλούν εκτροπή μέρους του αέρα με αποτέλεσμα να παρακάμπτει χωρίς να διαπεράσει τον ανεμοκινητήρα, μόνο ένα μέρος της ισχύος δεσμεύεται από τον κινητήρα. Έτσι ορίζεται ο συντελεστής ισχύος C p (2.2) Όπου Ρ Μ είναι η μηχανική ισχύς. Ο συντελεστής ισχύος δείχνει πόσο αποτελεσματικά μετατρέπεται η αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται γραφικά η σχέση της ταχύτητας του ανέμου με τον συντελεστή ισχύος. Εικόνα 2.9 Διάγραμμα της ταχύτητας του ανέμου με τον συντελεστή ισχύος Cp

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 17 Παρατηρώντας το διάγραμμα φαίνεται ότι η μέγιστη τιμή του συντελεστή ισχύος είναι περίπου στο 44% για ταχύτητα ανέμου 9m/s. Επίσης ο Cp εξαρτάται από το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λ, όπου λ (2.3). Πρόκειται ουσιαστικά για τον λόγο της γραμμικής ταχύτητας λόγω περιστροφής των ακροπτερυγίων προς την ταχύτητα του ανέμου. Μια τυπική σχέση ανάμεσα στο συντελεστή Cp και το λόγο λ δίνεται από την εικόνα 2.9. Εικόνα 2.10 Διάγραμμα του λόγου ακροπτερυγίου λ και του συντελεστή ισχύος Cp. Παρατηρείται ότι ο συντελεστής ισχύος έχει μέγιστη τιμή για συγκεκριμένο λ, του οποίου η τιμή αυτή είναι η βέλτιστη τιμή. Ο αεροδυναμικός συντελεστής Cp εξαρτάται και από τη γωνία βήματος του πτερυγίου β.o συντελεστής ισχύος για δεδομένες τιμές των λ και β υπολογίζεται από τον ακόλουθο τύπο: (2.4) Όπου για το λ i ισχύει η σχέση: (2.5)

18 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης Εικόνα 2.11 Εξάρτηση της σχέσης C p με το λ από την τιμή του β Από το παραπάνω σχήμα φαίνεται η σχέση του C p με το λόγο λ. Φαίνεται ότι ο μέγιστος λόγος ισχύος αντιστοιχεί στην τιμή β=0, αυτή η τιμή του β μας δίνει τη βέλτιστη τιμή για το λ, λ i και C p. Με β=0 έχουμε λ i =8.12 και λ opt =6.325 τα οποία δίνουν C p-opt =0.4382. Έχοντας υπολογίσει optimum τις τιμές μπορούμε να γυρίσουμε στις σχέσεις για την ενέργεια και το λόγο ταχυτήτων λ και να υπολογίσουμε την optimum ενέργεια που δίνεται από τον άνεμο και ταχύτητα του ρότορα. Δηλαδή: = (2.6) (2.7) Όμως όπως είναι γνωστό: ΡΜ ΤΜ ωr_rot (2.8) Άρα η ροπή προκύπτει από τη σχέση: (2.9) Με (2.10) Με απλή αντικατάσταση των τιμών που βρήκαμε πριν έχουμε την Ρ Μ_max για λειτουργία με ω r_rot_opt.

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 19 2.6 Μοντελοποίηση ιδανικού κιβωτίου ταχυτήτων Εικόνα 2.12 Σχέση των δύο μαζών Ο έλικας περιστροφής και ο δρομέας της γεννήτριας συνδέονται μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων με λόγο μετασχηματισμού n g. Ο έλικας περιστροφής και ο δρομέας της γεννήτριας αποτελούν το στρεφόμενο μηχανικό μέρος του ανεμοκινητήρα. Κατά την μοντελοποίηση του θεωρούμε μοντέλο δύο μαζών (δίσκων) με ροπές αδράνειας J rot και J gen,όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Στην παρακάτω ανάλυση η δυσκαμψία του άξονα K sh και η ροπή του άξονα T sh δεν λαμβάνονται υπόψη. Η σχέση μεταξύ των ταχυτήτων περιστροφής των δύο μαζών δίνεται απο τον τύπο: Από την οποία προκύπτει οτί οι ροπές συνδέονται από την σχέση: (2.11) (2.12) Αν παραγωγίσουμε τη σχέση 2.11 έχουμε: Άρα κατά σειρά θα ισχύει και η σχέση: Όπου: Τ m είναι η ροπή στον άξονα της γεννήτριας και ισχύει η σχέση: (2.13) (2.14) (2.15)

20 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης Από τις δύο τελευταίες εξισώσεις έχουμε: (2.16) ή (2.17) Με την συνολική ροπή της αδράνειας στο δρομέα της γεννήτριας να δίνεται από την σχέση: (2.18) Εικόνα 2.13 Προσομοίωση του μοντέλου ανέμου στο MATLAB.

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 21 Κεφάλαιο 3 Γεννήτριες και Ηλεκτρονικά ισχύος που χρησιμοποιούνται στις ανεμογεννήτριες 3.1Τοπολογίες ανεμογεννητριών 3.1.1 Ανεμογεννήτριες Σταθερών Στροφών Στις αρχές τις δεκαετίας του 1990 οι ανεμογεννήτριες λειτουργούσαν σε μια σταθερή ταχύτητα ανεξάρτητα από την ταχύτητα του ανέμου η ταχύτητα περιστροφής του ρότορα είναι συγκεκριμένη και καθορίζεται από τη συχνότητα του δικτύου, το κιβώτιο ταχυτήτων και το σχεδιασμό της μηχανής. Μια τέτοιου τύπου ανεμογεννήτρια αποτελείται από έναν ανεμοκινητήρα και συνήθως από μια ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού ή δακτυλιοφόρου δρομέα, που συνδέονται απευθείας στο δίκτυο μέσω ενός soft-starter και ενός πυκνωτή για να μειώνει την απώλεια άεργου ισχύος. Η ολίσθηση των γεννητριών αυτής της κατηγορίας ποικίλλει ανάλογα με την παραγόμενη ενεργό ισχύ, έτσι η ταχύτητα δεν είναι στην πραγματικότητα σταθερή, εντούτοις, δεδομένου ότι οι μεταβολές της ταχύτητας είναι πολύ μικρές (περίπου 1-2%), αναφέρεται συνήθως ως ανεμογεννήτρια «σταθερής ταχύτητας». Το πλεονέκτημα ενός τέτοιου συστήματος είναι η σχετικά απλή δομή του, επομένως το κόστος του τείνει να είναι χαμηλό. Αυτές οι ανεμογεννήτριες πρέπει να είναι μηχανικά περισσότερο στιβαρές από άλλες, λόγω των υψηλότερων μηχανικών φορτίων, δεδομένου ότι η ταχύτητα του ανεμοκινητήρα δεν μπορεί να ποικίλει. Οι διακυμάνσεις στην ταχύτητα του αέρα έχουν ως άμεσο αποτέλεσμα διακυμάνσεις στη ροπή. Οι διακυμάνσεις ισχύος μπορούν να προκαλέσουν διακυμάνσεις τάσης, οι οποίες αντισταθμίζονται από πυκνωτές. Θα πρέπει να σημειώσουμε ότι μερικοί κατασκευαστές για αυξήσουν την παραγωγή ισχύος προσαρμόζουν στις ανεμογεννήτριες τους δύο επαγωγικές γεννήτριες, μία μικρή για τις περιόδους που υπάρχουν χαμηλές ταχύτητες αέρα και μία μεγαλύτερη για τις περιόδους που υπάρχουν υψηλότερες τιμές ταχύτητας αέρα, ενώ ένας άλλος σχεδιασμός είναι οι επαγωγικές γεννήτριες με μεταβαλλόμενους πόλους, δηλαδή γεννήτριες που μπορούν να λειτουργούν με διαφορετικό αριθμό πόλων συνεπώς και με διαφορετική περιστροφική ταχύτητα (για χαμηλές ταχύτητες χρησιμοποιούν ανέμου 8 πόλους ενώ για μεσαίους με δυνατούς ανέμους χρησιμοποιούν 4-6 πόλους). 3.1.2 Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών σχεδιάζονται ώστε να επιτυγχάνουν βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς σε ένα μεγάλο εύρος ταχυτήτων του ανέμου. Μέσω της λειτουργίας με μεταβλητές στροφές γίνεται εφικτό να προσαρμόζεται η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας σε κάθε

22 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης ταχύτητα ανέμου. Με αυτό τον τρόπο, ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ διατηρείται σταθερός σε μία προκαθορισμένη τιμή που αντιστοιχεί στον συντελεστή μέγιστης αεροδυναμικής απόδοσης-αρχή του αεροδυναμικού ελέγχου ισχύος (pitch control). Σε αντίθεση με τη διάταξη σταθερών στροφών, η διάταξη μεταβλητών στροφών διατηρεί τη ροπή της γεννήτριας σχεδόν σταθερή και οι διακυμάνσεις της ισχύος που προκαλούνται από μεταβολές του ανέμου αποσβένονται μέσω της αλλαγής της ταχύτητας του δρομέα. Το ηλεκτρικό σύστημα μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών είναι πιο πολύπλοκο από το αντίστοιχο των σταθερών στροφών. Συνήθως αποτελείται από μια επαγωγική ή σύγχρονη γεννήτρια που συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός μετατροπέα ισχύος. Τα πλεονεκτήματά αυτής της διάταξης είναι η αυξημένη απομάστευση ισχύος, η βελτιωμένη ποιότητα ισχύος και η μειωμένη καταπόνηση των μηχανικών μερών της ανεμογεννήτριας ενώ στα μειονεκτήματα συγκαταλέγονται οι απώλειες στους μετατροπείς ισχύος, η πολυπλοκότητα και το αυξημένο κόστος. Οι ανεμογεννήτριες με αυτόν τον τύπο ελέγχου έχουν αναπτυχθεί εντυπωσιακά τα τελευταία χρόνια. Η λειτουργία με μεταβλητή ταχύτητα μπορεί να επιτευχθεί μόνο με την αποσύζευξη της ηλεκτρικής συχνότητας του δικτύου και της μηχανικής συχνότητας. Για αυτόν τον λόγο οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος, όπως ένας μετατροπέας συνεχούς τάσεως σε εναλλασσόμενη τάση, συνδυάζονται με τα προηγμένα συστήματα ελέγχου. 3.1.3 Σύγκριση των δύο τύπων ανεμογεννητριών Τέλος, κάνοντας μια σύγκριση μεταξύ των δύο τύπων ανεμογεννητριών παρατηρούμε ότι οι ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας είναι απλές στην κατασκευή και έτσι τείνουν να είναι φτηνότερες από αυτές που χρησιμοποιούν τη μέθοδο της μεταβλητής ταχύτητας. Εντούτοις, δεδομένου ότι δεν μπορούν να ακολουθήσουν την πάντα μεταβαλλόμενη ταχύτητα του ανέμου, η μετατροπή της ενέργειας δεν είναι τόσο αποδοτική όσο στα συστήματα μεταβλητής ταχύτητας. Όπως είναι γνωστό, ένας ανεμοκινητήρας έχει το μέγιστο συντελεστή ισχύος Cp στην καθορισμένη από τον κατασκευαστή τιμή του λόγου ακροπτερυγίου του. Για τη σταθερής ταχύτητας λειτουργία, αυτός ο μέγιστος συντελεστής ισχύος μπορεί να επιτευχθεί σε συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου. 3.2 Μηχανικός έλεγχος ισχύος στον ανεμοκινητήρα Οι ανεμογεννήτριες είναι κατασκευασμένες να λειτουργούν και να αποδίδουν το μέγιστο της ενέργειας τους σε ταχύτητες ανάμεσα στα 12 με 15m/s αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να παράγουν ενέργεια με όσο το δυνατό λιγότερο κόστος. Αν υπάρχουν πιο δυνατοί άνεμοι από αυτούς που αναφέρθηκαν συνηθίζεται να θυσιάζεται η παραπάνω ενέργεια προκειμένου να μην πάθει καμία ζημία η ανεμογεννήτρια. Οι τεχνικές ελέγχου προστασίας της Α/Γ στις μεγάλες ταχύτητες ανέμου είναι: η γωνία βήματος πτερυγίου και η απώλεια στήριξης.

Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης 23 3.2.1 Γωνία βήματος πτερυγίου Σε αυτόν τον τρόπο ελέγχου (pitch control) τα πτερύγια θα πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται (για αυτό και λέγεται ενεργός έλεγχος), περιστρέφοντας όλο ή μέρος κάθε πτερυγίου γύρω από τον άξονα τους, στην κατεύθυνση η οποία μειώνει τη γωνία πρόσπτωσης και άρα τον συντελεστή άντωσης δηλαδή είτε ενάντια στον αέρα είτε προς την διεύθυνσή του, γνωστή σαν βήμα πτέρωσης (pitch feathering). Όταν η παραγόμενη ενέργεια γίνεται πολύ μεγάλη, ο μηχανισμός ελέγχου της γωνίας των πτερυγίων αρχίζει να στρίβει σιγάσιγά ώστε να μειώνεται ο άνεμος που προσπίπτει πάνω τους. Προφανώς τα πτερύγια έρχονται στην αρχική τους θέση όταν η ένταση του ανέμου πέσει. Μερικά πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου ελέγχου είναι ότι προσφέρει καλό έλεγχο ισχύος, βοήθεια κατά την εκκίνηση και σχεδόν άμεση διακοπή λειτουργίας αν υπάρξει ανάγκη. Όσο αφορά τα μειονεκτήματα είναι η πολυπλοκότητα που εισάγει ο μηχανισμός των στρεφόμενων πτερυγίων και οι επιπλέον αναταράξεις που υπάρχουν σε μεγάλες τιμές ταχύτητας του αέρα. Η στιγμιαία ισχύς, εξαιτίας των ρύπων του ανέμου και της περιορισμένης ταχύτητας περιστροφής των πτερυγίων, κυμαίνεται γύρω από τη μέση τιμή της. Ο μηχανισμός του βήματος πτερυγίου γίνεται με τη χρήση υδραυλικών ή και ηλεκτρικών ενεργοποιητών. 3.2.2 Απώλεια στήριξης Στην περίπτωση του έλεγχου απώλειας στήριξης (παθητικός έλεγχοςpassive stall control) τα πτερύγια είναι τοποθετημένα στον άξονα σε σταθερή γωνία τα οποία παρουσιάζουν απώλεια αεροδυναμικής στήριξης σε υψηλούς ανέμους. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η αναπτυσσόμενη ροπή και άρα η παραγόμενη ισχύς. Οι αεροδυναμικές διαταραχές στις οποίες οφείλεται αυτό το φαινόμενο οδηγούν σε συνεχείς αρνητικές ολισθήσεις στην ταχύτητα περιστροφής. Το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη πάνω στον ρότορα. Ο σχεδιασμός όμως αυτής της μεθόδου ελέγχου είναι μια πολύπλοκη υπόθεση αεροδυναμικά και επηρεάζει το σχεδιασμό όλης της ανεμογεννήτριας μερικά ακόμα μειονεκτήματα είναι ότι εμφανίζει μικρή απόδοση σε χαμηλές ταχύτητες, δεν βοηθάει στην στην εκκίνηση και σε πιθανές μεταβολές στη μέγιστη ισχύ στην μόνιμη κατάσταση, εξαιτίας των μεταβολών στην πυκνότητα του αέρα και σε ορισμένες περιπτώσεις, της συχνότητας του δικτύου. Η μεταβολή της γωνίας γίνεται αντίθετα προς αυτήν της γωνίας βήματος πτερυγίου. Ο μηχανισμός είναι είτε υδραυλικός είτε ηλεκτρικός. Ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης (active stall control)ο οποίος συνδυάζει τα θετικά των δύο παραπάνω ελέγχων αφού βασίζεται στην ίδια αρχή με αυτή του pitch αλλά χρησιμοποιώντας την ικανότητα της απώλειας της αεροδυναμικής στήριξης των πτερυγίων αποφεύγονται τα μεγάλα δυναμικά φορτία και οι διακυμάνσεις της ισχύος, τα οποία λαμβάνουν χώρα στον κλασσικό έλεγχο του βήματος πτερυγίων. Ωστόσο σε αυτόν τον τύπο

24 Έλεγχος Αδιάλειπτης Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος με Επαγωγική Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας μετά από Πτώση Τάσης ελέγχου η γωνία pitch μεταβάλλεται αντίθετα. Με αυτό τον τρόπο μηχανικού ελέγχου επιτυγχάνεται πιο ομαλός περιορισμός της ενέργειας, χωρίς μεγάλες διαταραχές στην ισχύ.βασικό πλεονέκτημα είναι ότι διαχειρίζεται αυξομειώσεις στην πυκνότητα του αέρα. Ο συνδυασμός με τον μηχανισμό γωνίας βήματος κάνει πιο εύκολη τη διαχείριση καταστάσεων που χρειάζεται άμεση διακοπή της λειτουργίας της ανεμογεννήτριας και επιπλέον βοηθά κατά την εκκίνηση. 3.3 Χρησιμοποιούμενοι τύποι γεννήτριας 3.3.1 Ασύγχρονη Μηχανή Είναι η πιο διαδεδομένη μηχανή στις ανεμογεννήτριες. Έχει πολλά πλεονεκτήματα όπως στιβαρότητα και ηλεκτρική απλότητα και επειδή κατασκευάζονται μαζικά είναι αρκετά φθηνές. Το κυριότερο τους μειονέκτημα είναι ότι ο στάτης επαγόμενο ρεύμα για να μαγνητιστεί. Εφόσον δεν διαθέτει μόνιμους μαγνήτες χρειάζεται άλλη πηγή για να διεγερθεί και με αυτόν τον τρόπο καταναλώνει άεργο ισχύ. Η άεργος ισχύς παρέχεται από το δίκτυο ή από ηλεκτρονικά ισχύος. Το μαγνητικό πεδίο της μηχανής δημιουργείται εφόσον η μηχανή είναι συνδεδεμένη στο δίκτυο. Αν ο στάτης τροφοδοτείται από το δίκτυο δημιουργείται στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο η ταχύτητα του οποίου καθορίζεται από των αριθμών των πόλων και από τη συχνότητα του δικτύου. Εάν ο δρομέας στρέφεται με ταχύτητα που υπερβαίνει τη σύγχρονη ταχύτητα ένα ηλεκτρικό πεδίο επάγεται μεταξύ του ρότορα και του στρεφόμενου πεδίου του στάτη (δηλαδή έχουν μεταξύ τους μια σχετική ταχύτητα) αυτή η ποσοστιαία διαφορά της ταχύτητας του δρομέα από τη σύγχρονη ταχύτητα του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου ονομάζεται ολίσθηση s, η οποία προκαλεί ένα ρεύμα στα τυλίγματα του δρομέα. Τα τυλίγματα του δρομέα μπορεί να έχουν δύο μορφές γι αυτό υπάρχουν οι Α.Μ με βραχυκυκλωμένο κλωβό και δακτυλιοφόρο δρομέα. 3.3.1.1 Επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού(csig) Λόγω της απλότητας, της υψηλής τους απόδοσης και του ελάχιστου κόστους συντήρησης που απαιτούν οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι η επικρατούσα επιλογή σε απλές εφαρμογές. Στις γεννήτριες που συνδέονται απευθείας στο δίκτυο η ταχύτητα τους μεταβάλλεται μόνο κατά ένα μικρό ποσοστό εξαιτίας της ολίσθησης η οποία οφείλεται στις αλλαγές της ταχύτητας του ανέμου. Για το λόγο αυτό αυτού του τύπου οι γεννήτριες χρησιμοποιούνται κυρίως για σταθερές ταχύτητες ανεμογεννήτριες. 3.3.1.2 Επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα(wrig) Σ αυτού του τύπου μηχανής τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του δρομέα μπορούν να εξαχθούν 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