ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΑΛΥΣΙΔΑΣ «ΑΠΟ ΤΟ ΡΕΥΜΑ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ» Οι στρόβιλοι παλιρροιακού ρεύματος χρησιμοποιούν τις ίδιες αρχές με τις ανεμογεννήτριες για την απόληψη της κινητικής ενέργειας των κινούμενων υδάτων. Αντίστοιχα, οι βασικές συνιστώσες ενός μετατροπέα παλιρροιακής ενέργειας είναι (βλ. Σχήμα 1 παρακάτω): 1. Η κινητήρια μηχανή που αποσπά την ενέργεια από τη ροή ένας είδος στροφέα (ρότορα), 2. Η έδραση που στηρίζει την κινητήρια μηχανή μέσα στο ρεύμα και ανταποκρίνεται στα φορτία προς τον πυθμένα, 3. Ο μηχανισμός μετάδοσης κίνησης (π.χ. κιβώτιο ταχυτήτων και γεννήτρια), και 4. Το σύστημα λήψης της ισχύος (σύστημα ηλεκτρικής ισχύος και ελέγχου, και το υποβρύχιο καλώδιο έως το σημείο διασύνδεσης στο δίκτυο στη στεριά). Ρότορας του Στροβίλου Κιβώτιο ταχυτήτων 3 Γεννήτρια 1 2 4 Σχήμα 1: Βασικά μέρη κυματικής γεννήτριας Η μετατροπή της ενέργειας περιλαμβάνει τρία βήματα: Το ρεύμα κινεί τον ρότορα του στροβίλου. Η διαδικασία αυτή μετατρέπει την ενέργεια του ρεύματος σε περιστροφική ενέργεια του άξονα. Η ισχύς βελτιστοποιείται προσαρμόζοντας τη γωνία μεταξύ των πτερυγίων του ρότορα και της ροής. Το κιβώτιο ταχυτήτων μετατρέπει τη χαμηλή ταχύτητα περιστροφής του άξονα του στροβίλου στην επιθυμητή (μεγαλύτερη) ταχύτητα του άξονα της γεννήτριας. Η γεννήτρια μετατρέπει την ενέργεια του άξονα σε ηλεκτρική ενέργεια η οποία μεταφέρεται στην ακτή μέσω ενός υποβρύχιου καλωδίου επί του βυθού. Η κινητική ενέργεια ενός ρέοντος παλιρροιακού ρεύματος ανά μονάδα χρόνου, δηλ. η ισχύς P s, μπορεί να υπολογιστεί ως προς την ταχύτητα (v), την επιφάνεια της κάθετης προς τη φορά του ρεύματος διατομής (Α) και την πυκνότητα του νερού (ρ, η οποία για το θαλάσσιο νερό είναι κατά προσέγγιση 1025 kg/m 3 ). Εφόσον η ταχύτητα είναι ομοιόμορφη στην εγκάρσια διατομή (το οποίο ισχύει για μικρές επιφάνειες) σε μια οποιαδήποτε στιγμή του παλιρροιακού κύκλου: P s = ½ ρ A v 3. Η συνάρτηση αυτή είναι χρήσιμη για μια γρήγορη εκτίμηση της μέγιστης ισχύος του παλιρροιακού πόρου μιας τοποθεσίας, αλλά καθώς μεταβάλλεται διαρκώς η ταχύτητα χρειάζεται ένας υπολογισμός της μέσης χρονικής συμπεριφοράς προκειμένου να προσδιοριστεί ο ενεργειακός πόρος. Η κυβική αυτή σχέση μεταξύ της ταχύτητας και της ισχύος είναι όμοια με -1-
αυτή που ισχύει για τις καμπύλες ισχύος των ανεμογεννητριών και, όπως στην αιολική ενέργεια, υφίστανται πρακτικά όρια στην ποσότητα της ισχύος που μπορεί να αποσπαστεί από τα παλιρροιακά ρεύματα. Ορισμένα από τα όρια αυτά σχετίζονται με τον σχεδιασμό των παλιρροιακών διατάξεων ενώ άλλα με τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα του πόρου. Αυτό σημαίνει ότι ορισμένοι περιορισμοί είναι ίδιοι όπως και στην αιολική ενέργεια, άλλοι όμως όχι. Κατά τη λειτουργία, οι συνθήκες του παλιρροιακού πόρου μεταβάλλονται με το χρόνο. Για το παλιρροιακό ρεύμα δύο είναι οι συναφείς παράμετροι: η ταχύτητα και η κατεύθυνση του ρεύματος. Για ορισμένες διατάξεις η κατεύθυνση δεν είναι σημαντικός παράγοντας (π.χ. παλιρροιακές διατάξεις κατακόρυφου άξονα), αλλά ακόμα και για τις διατάξεις που εξαρτώνται από την κατεύθυνση ο άλλος παράγων είναι γενικά πιο σημαντικός. Η περιγραφή της διαδικασίας απόληψης της παλιρροιακής ισχύος μπορεί να εστιαστεί σε δύο διαστάσεις, την ισχύ και την ταχύτητα του ρεύματος. Το διάγραμμα του Σχήματος 2 είναι ένα παράδειγμα της καμπύλης ισχύος μιας παλιρροιακής διάταξης και παρουσιάζει το συσχετισμό των παραμέτρων. Σημειώνεται ότι αυτό το παράδειγμα είναι για μια φανταστική συσκευή και δίδεται αποκλειστικά χάριν επεξήγησης (τα γραφήματα των πραγματικών συσκευών μπορεί να διαφέρουν σημαντικά). Ισχύς [kw] Ταχύτητα ρεύματος [m/s] Θεωρητικά διαθέσιμη ισχύς [kw] Καμπύλη ισχύος [kw] Σχήμα 2: Παράδειγμα καμπύλης ισχύος μιας διάταξης παλιρροιακού ρεύματος όπου καταδεικνύονται οι συνθήκες κατά τις οποίες δεν παράγεται ισχύς Η ιδανική διάταξη παλιρροιακού ρεύματος θα μπορούσε να αποσπάσει όλη την ισχύ του μετώπου του παλιρροιακού ρεύματος που δέχεται. Ωστόσο, κάτι τέτοιο δεν είναι δυνατόν στην πράξη, αφού υφίστανται συγκεκριμένες συνθήκες υπό τις οποίες η διάταξη δεν μπορεί να λειτουργήσει και συνεπώς δεν παράγει ενέργεια. Οι συνθήκες αυτές παρουσιάζονται στο Σχήμα 2. Είναι εμφανές ότι σε οποιαδήποτε ταχύτητα η αποσπώμενη ισχύς είναι πάντοτε μικρότερη από τη μέγιστη. Αυτό καθώς η απόδοση της κινητήριας μηχανής δεν μπορεί ποτέ να είναι 100% (υπάρχουν διάφορες θεωρίες που υποδεικνύουν τη μέγιστη απόληψη ενέργειας από ένα ρεύμα ρευστού, η δε κατάσταση των παλιρροιακών ρευμάτων αποτελεί ακόμη θέμα έρευνας). Ένα μέρος της γραμμικής ορμής του ρέοντος ύδατος μετατρέπεται σε στροφορμή των πτερυγίων του στροφείου που μεταδίδει μηχανική ισχύ στον άξονα του ρότορα. Η ισχύς του -2-
άξονα είναι το γινόμενο της ροπής που εφαρμόζεται στον ρότορα (τ) και της ταχύτητας περιστροφής (ω) (δηλ., P s = τ.ω) και ως κλάσμα της ροής ισχύος του παλιρροιακού ρεύματος εκφράζεται από τον συντελεστής ισχύος (C p ). Η ροπή και η ταχύτητα επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τη σχεδίαση του ρότορα. Ένας ρότορας με πολλά πτερύγια που καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας σάρωσης (διαμόρφωση που είναι γνωστή ως υψηλής πληρότητας ) παράγει μεγάλη ροπή σε χαμηλές ταχύτητες, αλλά και επιτυγχάνει τη μέγιστη ισχύ σε σχετικά χαμηλή ταχύτητα περιστροφής. Αντίθετα, ένας ρότορας με λίγα πτερύγια (χαμηλής πληρότητας) παράγει μικρή ροπή σε υψηλές ταχύτητες και είναι πιο κατάλληλος για παραγωγή ηλεκτρισμού στα 50 Hz. Στην περίπτωση της ανεμπόδιστης ροής παλιρροιακού ρεύματος κατά την οποία ο στρόβιλος τοποθετείται σε κάποια απόσταση από το έδαφος, έτσι ώστε η ταχύτητα της ροής να είναι πλήρως ανεπτυγμένη, υπάρχει ένα μέγιστο ποσό ενέργειας που μπορεί να δεσμευθεί εξαιτίας του ότι η ροή πρέπει να διατηρήσει κάποια κινητική ενέργεια στο ανάντη του στροβίλου. Αυτό είναι γνωστό ως όριο του Betz και είναι περίπου ίσο με 59% (για λεπτομέρειες, βλ. Massey, Mechanics of Fluids). Αυτό είναι ένα φυσικό όριο, ανεξάρτητο από την ικανότητα της διάταξης να μετατρέψει την ενέργεια του παλιρροιακού ρεύματος σε ηλεκτρική δηλ. εφαρμόζεται πριν καν εξεταστεί η μηχανική ή η ηλεκτρική αποδοτικότητα. Στις περιπτώσεις κατά τις οποίες ο ρότορας βρίσκεται κοντά είτε στον πυθμένα είτε στις πλευρές ή την επιφάνεια καναλιού, έτσι ώστε να εμποδίζεται η ροή σε σημαντικό βαθμό, δεν ισχύει το όριο Betz. Αυτό που συμβαίνει στις παλιρροιακές ροές σε αυτές τις περιπτώσεις είναι περίπλοκο και εξαρτάται από τη γεωμετρία του ορίου σταθερής ροής και την υπόλοιπη μη εμποδιζόμενη περιοχή. Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι δυνατόν να προληφθεί η παρέκκλιση της ροής γύρω από το στρόβιλο και η επιβράδυνσή της στο βαθμό που θα συνέβαινε στο μη κωλυόμενο ρεύμα. Είναι δυνατόν να δημιουργηθεί ένας τεχνητός αγωγός γύρω από τον στρόβιλο ώστε να δημιουργηθεί εσκεμμένα μια περιοχή μεγαλύτερης ταχύτητας, πράγμα που αποτελεί γνώρισμα ορισμένων προτεινόμενων σχεδιασμών στροβίλων. Στην πράξη, η απόδοση μειώνεται επίσης είτε λόγω του ότι τα πτερύγια στρέφονται τόσο γρήγορα ώστε η στροβιλώδης περιοχή που δημιουργεί το ένα πτερύγιο μετακινείται από το επόμενο πτερύγιο, είτε επειδή η ταχύτητα περιστροφής είναι τόσο αργή που το μεγαλύτερο μέρος της ροής απλά διέρχεται μέσα από την περιοχή σάρωσης χωρίς να παρεμποδίζεται από κάποιο πτερύγιο. Έτσι, ο συντελεστής C p είναι συνάρτηση της περιστροφικής ταχύτητας. Για την επίτευξη της κατάλληλης ισορροπίας, χρειάζεται χρόνος για να αποκατασταθεί το ρεύμα μεταξύ των διελεύσεων από διαδοχικά πτερύγια. Αυτό καταδεικνύει η σχέση μεταξύ της ταχύτητας περιστροφής και της ταχύτητας του ελεύθερου ρεύματος (v fs ), η οποία είναι γνωστή ως λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου (λ), δηλ. ο λόγος της γραμμικής ταχύτητας των ακροπτερυγίων (v t ) και της ταχύτητας του ελεύθερου ρεύματος: λ= v t / v fs. Το Σχήμα 3 δείχνει τη συσχέτιση μεταξύ του συντελεστή ισχύος και του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου για ένα παράδειγμα στροβίλου παλιρροιακού ρεύματος οριζοντίου άξονα. Ο μέγιστος C p προκύπτει για μια συγκεκριμένη τιμή του λ. Εάν ένας στρόβιλος μπορούσε να λειτουργήσει σε ένα σταθερό λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου, τότε η παραγόμενη ισχύς θα ήταν σταθερή, όπως φαίνεται από την κίτρινη γραμμή του Σχήματος 3. Το λ κανονικά θα επιλεγόταν ώστε να δίνει ένα σταθερά μέγιστο C p. Στην πράξη, ωστόσο, αυτό δεν είναι εφικτό, αφού για να επιτευχθεί ένας σταθερός λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου απαιτείται η ταυτόχρονη αλλαγή της ταχύτητας του ακροπτερυγίου (συνεπώς και της γωνιακής ταχύτητας) και της ταχύτητας του ελεύθερου ρεύματος, σε όλο το εύρος της v fs. -3-
Σχήμα 3: Ο συντελεστής ισχύος (C p ) ως προς τον λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου (λ) στην περίπτωση ενός στροβίλου οριζόντιου άξονα Από την άλλη, δεν είναι επιθυμητό να αφεθεί ο ρότορας να περιστρέφεται πολύ γρήγορα αφού αυτό θα σήμαινε ότι ασκούνται μεγάλες δυνάμεις επί των πτερυγίων, πράγμα που θα αύξανε την πιθανότητα βλάβης (ή το κόστος αποφυγής μιας τέτοιας βλάβης). Η ταχύτητα περιστροφής επηρεάζει και την απόδοση των πτερυγίων ως προς την απόσπαση ενέργειας, γιατί κάθε πτερύγιο δέχεται αντίσταση λόγω της διαφοράς πίεσης κατά μήκος αυτού. Σε μέτριες ταχύτητες, μπορεί να συμβεί σπηλαίωση. Αυτό γίνεται όταν η πίεση του νερού κοντά στην επιφάνεια του πτερυγίου πέσει κάτω από την πίεση του ατμού, προκαλώντας τη δημιουργία φυσαλίδων, οι οποίες διαστέλλονται ταχέως και σπάζουν. Τα προκύπτοντα φορτία των μικρών δονήσεων μπορεί να προκαλέσουν βλάβη στην επιφάνεια των πτερυγίων και να μειώσουν την αποδοτικότητά τους. Ως εκ τούτου, υπάρχει μια μέγιστη επιτρεπτή ταχύτητα ακροπτερυγίου για κάθε ρότορα μιας συγκεκριμένης διαμέτρου. Παρά τους περιορισμούς αυτούς, είναι δυνατή η παραγωγή ισχύος κοντά στο μέγιστο C p για ένα εύρος της v s, μεταβάλλοντας τη γωνία βήματος των πτερυγίων. Αυτό επιτρέπει τον έλεγχο της αεροδυναμικής απόδοσης των πτερυγίων και έχει προταθεί σε ορισμένα σχέδια στροβίλων παλιρροιακών ρευμάτων. Ο στόχος, για το κάτω από την ονομαστική ταχύτητα πεδίο, είναι η παραγωγή όσο περισσότερης ισχύος είναι δυνατό, και η μεταβολή της γωνίας βήματος των πτερυγίων επιτρέπει τη διατήρηση της αεροδυναμικής αποδοτικότητας κατά τις μεταβολές της ταχύτητας του ελεύθερου ρεύματος. Στην περιοχή πάνω από την ονομαστική ταχύτητα, η ρύθμιση της γωνίας βήματος βρίσκει εφαρμογή στην απόρριψη ισχύος και τον έλεγχο των δυνάμεων που ασκούνται επί του ρότορα. Μια εναλλακτική στρατηγική ελέγχου της ισχύος είναι η παθητική απώλεια στήριξης, κατά την οποία τα με σταθερή γωνία βήματος πτερύγια σχεδιάζονται έτσι ώστε, όταν επιτευχθεί μια συγκεκριμένη ταχύτητα ελεύθερου ρεύματος, να δημιουργείται μια περιοχή στροβιλισμού πίσω από τα πτερύγια που να ξεπερνά τη δύναμη άνωσης, προκαλώντας την επιβράδυνση του ρότορα. Μολονότι η αποδοτικότητα του ρότορα (δηλ. η μεταφορά της ισχύος της παλιρροιακής ροής σε αξονική ισχύ) διατηρείται καλύτερα μεταβάλλοντας την ταχύτητα περιστροφής, το αντίθετο ισχύει όσον αφορά την αποδοτικότητα της παραγωγής (δηλ. μετατροπή της ισχύος του άξονα σε ηλεκτρισμό). Με σταθερή ταχύτητα περιστροφής παράγεται σταθερή τάση και συχνότητα. Μια προσέγγιση η οποία διευκολύνει και τις δύο ιδεατές καταστάσεις είναι η αποσύζευξη του ρότορα και της γεννήτριας με τη χρήση ενός μετατροπέα συχνότητας, αν και αυτό θα σήμαινε κάποια ηλεκτρική απώλεια. Σε αυτήν την περίπτωση είναι δυνατή η χρήση μιας σύγχρονης -4-
γεννήτριας, ειδάλλως απαιτείται μια μηχανή επαγωγής, λόγω της ανάγκης να εφαρμόζεται απόσβεση στο σύστημα κίνησης ώστε να εξυπηρετούνται οι κυκλικές μεταβολές της ροπής που αναπτύσσονται από τον ρότορα. Για ορισμένες παλιρροιακές διατάξεις έχουν προταθεί γεννήτριες άμεσης οδήγησης (για μετρίαση της ανάγκης για κιβώτιο ταχυτήτων). Εξάλλου, στις συνιστώσες του συστήματος πρόσληψης της ισχύος θα υπάρξουν απώλειες. Αυτές μπορούν να περιοριστούν, αλλά στην πράξη ενδέχεται να υπάρξει ένα οικονομικό όριο πέρα από το οποίο η όποια αύξηση του κόστους θα απέφερε μόνο σχετικά μικρές βελτιώσεις στην απόδοση. Παρατηρείται επίσης ότι η διάταξη δεν λειτουργεί σε όλο το φάσμα των ταχυτήτων και ότι η παραγωγή ξεκινά μόνο εφόσον η ταχύτητα φτάσει σε ένα ορισμένο επίπεδο. Αυτή είναι γνωστή ως ταχύτητα «έναρξης λειτουργίας» και εκφράζει την ελάχιστη ταχύτητα στην οποία συμφέρει οικονομικά η απόσπαση ενέργειας. Επίσης, ο σχεδιαστής της διάταξης ενδέχεται να επιλέξει τον περιορισμό της παραγωγής σε υψηλές ταχύτητες, όπως φαίνεται από την ταχύτητα «αποκοπής». Στην πράξη, η συσκευή απορρίπτει μέρος της διαθέσιμης ισχύος σ αυτό το εύρος, και η επιλογή της αποκοπής της ισχύος σχετίζεται με την ονομαστική ισχύ της γεννήτριας. Ο σχεδιαστής πρέπει να ζυγίσει το πρόσθετο κόστος της εγκατάστασης μιας γεννήτριας με μεγαλύτερη ονομαστική ισχύ έναντι του σχετικού πλεονεκτήματος απόληψης περισσότερης ισχύος. Το εύρος αποκοπής δεν έχει να κάνει με την αποφυγή καταστάσεων υπερβολικής ταχύτητας. Εφόσον η μέγιστη ταχύτητα του παλιρροιακού ρεύματος είναι εντός του εύρους θα είναι δυνατό να απορροφηθεί η περίσσεια ισχύος, ενώ είναι πολύ προβλέψιμη. Αυτό σε αντίθεση με την αιολική ενέργεια, όπου ισχυροί άνεμοι εμφανίζονται σε τυχαία βάση και είναι συνήθως ταχύτεροι από το επίπεδο που είναι οικονομική η απολαβή ενέργειας. Έχουν αναπτυχθεί διάφοροι σχεδιασμοί για το σύστημα κίνησης που συνδέει τον στρόβιλο οριζόντιου άξονα με τη γεννήτρια, από την οποία η παραγόμενη ισχύς μεταφέρεται μέσω θαλάσσιου καλωδίου τοποθετημένου στο βυθό προς την ακτή σε τάσεις 11 ή 33kV. Υπάρχουν διάφορες επιλογές όσον αφορά τις γεννήτριες αλλά κατά βάση αυτές θα είναι είτε επαγωγικές γεννήτριες είτε σύγχρονες μηχανές. Οι επαγωγικές γεννήτριες από τη φύση τους είναι πιο φθηνές απ ότι οι σύγχρονες μηχανές. Ωστόσο, η χρήση των σύγχρονων μηχανών παρέχει τη δυνατότητα ελέγχου του συντελεστή ισχύος και παρέχουν μεγαλύτερη αποδοτικότητα για τις μηχανές χαμηλής ταχύτητας. Βασικό στοιχείο είναι το μέγεθος και το κόστος της γεννήτριας, το οποίο αυξάνει με τη μείωση της ταχύτητας, και το κόστος του κιβωτίου ταχυτήτων, που αυξάνει με την αύξηση του λόγου μετάδοσης της κίνησης. Ανάλογα με τη σύνθεση (διαμόρφωση) του συστήματος μετάδοσης της κίνησης, μετά το στάδιο μεταφοράς της ροής ισχύος του παλιρροιακού ρεύματος σε αξονική ισχύ, τα υπόλοιπα βήματα της μεταφοράς της ενέργειας θα είναι τα ακόλουθα: 1. Αύξηση της ταχύτητας περιστροφής του άξονα/μείωση της ροπής (κιβώτιο ταχυτήτων). 2. Μετατροπή της ισχύος του άξονα σε ηλεκτρισμό (γεννήτρια). 3. Μετατροπή της τάσης και της συχνότητας παραγωγής στην τάση και συχνότητα του κεντρικού δικτύου (μετατροπέας συχνότητας). Σχηματικά, οι συνιστώσες και λειτουργίες του συστήματος μετάδοσης ισχύος ενός στροβίλου παλιρροιακού ρεύματος είναι οι εξής: -5-
Συνιστώσα Λειτουργία Επιλογές I Ρότορας Εξαγωγή ισχύος από τη ροή άξονας Κατακόρυφος άξονας II Κιβώτιο Ενίσχυση της ταχύτητας Πλανητικά γρανάζια ταχυτήτων περιστροφής από το ρότορα Υδραυλικά III Γεννήτρια Μετατρέπει την περιστροφική ισχύ σε ηλεκτρισμό Επαγωγική Μόνιμου μαγνήτη IV Θεμελίωση Ασφαλίζει τον στρόβιλο στο βυθό Μονού στύλου Βαρύτητας Αλυσίδες αγκύρωσης Η αποδοτικότητα του κάθε σταδίου (η 1, η 2, η 3 ) αναμένεται να είναι περίπου 95% σε κάθε περίπτωση. Ο ηλεκτρισμός που παράγεται σε κάθε χρονική στιγμή (P e ) είναι το γινόμενο της ροής ισχύος του παλιρροιακού ρεύματος, του συντελεστή ισχύος του ρότορα και των αποδοτικοτήτων του υφιστάμενου συστήματος κίνησης: ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΠΟΔΟΣΗ Ο αμεσότερος τρόπος ανάπτυξης της ενέργειας των παλιρροιακών ρευμάτων είναι ο δανεισμός ιδεών από τις ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα όπου, τα τελευταία 30 χρόνια, έχουν αναπτυχθεί η κατάλληλη τεχνολογία, οι συνιστώσες και η τεχνογνωσία. Ένας στρόβιλος παλιρροιακού ρεύματος είναι σαν μια ανεμογεννήτρια μέσα στο νερό. Πάντως, η πυκνότητα του θαλάσσιου νερού είναι 800 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του αέρα και η τυπική ταχύτητα ροής του θαλάσσιου νερού είναι το ένα πέμπτο αυτής του αέρα. Ένας κατάλληλα διαστασιολογημένος παλιρροιακός στρόβιλος θα είχε ρότορα η διάμετρος του οποίου θα ήταν περίπου η μισή αυτής μιας ανεμογεννήτριας με την ίδια ονομαστική ισχύ. Μια σύγκριση των διάφορων παραγόντων που επηρεάζουν τις ανεμογεννήτριες και τους στροβίλους παλιρροιακού ρεύματος επιχειρείται στον παρακάτω πίνακα: Επίπτωση / Συνέπεια του Χαρακτηριστικού σε Χαρακτηριστικό Υπεράκτια Ανεμογεννήτρια Στρόβιλο Παλιρροιακού Ρεύματος Πυκνότητα ρευστού ~1,25 kg/m 3 ~1025 kg/m 3 Μέγιστη ταχύτητα κατά την κανονική λειτουργία ~25 m/s 2-5 m/s Ταχύτητα για ονομαστική ισχύ ~12 m/s 2-5 m/s Μέγιστη ταχύτητα σε όλη τη ζωή 50 m/s+ Όπως και στην κανονική λειτουργία Μεταβολή ταχύτητας με το χρόνο Διάμετρος ρότορα (τυπική) Στοχαστική, μεταβλητού μεγέθους και κατεύθυνσης σε χρονικές κλίμακες της τάξης του δευτερολέπτου έως έτους 90-120 m Προβλέψιμη μεταβολή μεγέθους και κατεύθυνσης για δοθείσα τοποθεσία σε πολυετείς περιόδους 15-30 m βάσει των υφιστάμενων σχεδίων -6-
Περιορισμοί ως προς τη διάμετρο του ρότορα Μεταβολή προτύπου ροής Διάβρωση Αποσάθρωση Πρόσβαση για συντήρηση Ανάπτυξη θαλάσσιων οργανισμών Ταχύτητα περιστροφής ρότορα Μηχανική ακεραιότητα, κυρίως καταπόνηση οφειλόμενη στο δικό της βάρος Σύνθετη (στροβιλισμός) Συνθήκες ψεκασμού άλατος Απίθανο να υπάρξει σοβαρό πρόβλημα Εξαρτώμενη από τον καιρό Δεν αποτελεί ζήτημα <15 rpm για τις μεγάλες μηχανές Μηχανική ακεραιότητα, σπηλαίωση στο ακροπτερύγιο, βάθος νερού. Μείωση ταχύτητας με αύξηση της διαμέτρου. Περιορισμός στην καταπόνηση του πτερυγίου, κυρίως λόγω του ότι οι ωστικές δυνάμεις είναι πολύ μεγαλύτερες λόγω του ρευστού μεγαλύτερης πυκνότητας. Σύνθετη (στροβιλισμός + κύματα εάν η κορυφή του ρότορα είναι κοντά στην επιφάνεια) Η βύθιση σε αλμυρό νερό απαιτεί προσεκτική εξέταση του συνδυασμού των χρησιμοποιούμενων υλικών Πιθανότητα σοβαρού προβλήματος - μπορεί να επιδεινώσει τη διάβρωση Εξαρτώμενη από τη μέθοδο εφαρμογής, αλλά πιθανότατα πιο δύσκολη απ ότι στις υπεράκτιες Α/Γ Θα μπορούσε να αποβεί σημαντική όσον αφορά στην απόδοση και την συντήρηση 7-20 rpm βάσει των υφιστάμενων σχεδίων Σε σύγκριση με τις μεγαλύτερες ανεμογεννήτριες (ονομαστικής ισχύος 2 MW) που διατίθενται σήμερα, η ισχύς εξόδου και το μέγεθος ενός στροβίλου παλιρροιακού ρεύματος είναι πολλά υποσχόμενα. Η ετήσια ισχύς εξόδου των ανεμογεννητριών εξαρτάται από την ετήσια μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου, που συνήθως ακολουθεί μια κατανομή Weibull. Θεωρώντας μια μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου 7 m/s, για ένα στρόβιλο με ονομαστική ισχύ 2 MW, με διάμετρο ρότορα 60 m, η μέση παραγωγή είναι της τάξης των 600 kw. Εάν υποθέσουμε μια τοποθεσία θαλάσσιου ρεύματος με μέση ταχύτητα 2 m/s και μέγιστη μεταβλητότητα της τάξης του 10%, τότε η μέση ετήσια ταχύτητα θα είναι 1,8 m/s. Αυτό αντιστοιχεί σε ρότορα διαμέτρου 24 m που παράγει ονομαστική ισχύ ίση με το παράδειγμα της ανεμογεννήτριας. Με σταθερά ή σε μεγάλο βαθμό προβλέψιμα θαλάσσια ρεύματα, ένας στρόβιλος παλιρροιακού ρεύματος δεν ανταγωνίζεται απλά τις μεγαλύτερες ανεμογεννήτριες όσον αφορά τα μεγέθη, αλλά και ως προς την παραγωγή προβλέψιμης ισχύος. Γενικά, είναι δύσκολο να δοθούν κάποια ακριβή στοιχεία όσον αφορά τις διαστάσεις, τους γεωμετρικούς παράγοντες και τις σχέσεις των στροβίλων παλιρροιακού ρεύματος, καθότι οι διατάξεις που έχουν μέχρι σήμερα αναπτυχθεί διαφέρουν ως προς τη διαμόρφωση, τις παραμέτρους και τις διαστάσεις τους, ενώ ακολουθούνται και διαφορετικές τεχνολογικές προσεγγίσεις. Ωστόσο, από μία μελέτη του EPRI (EPRI TP-004-NA, TISEC Device Survey and Characterization - 2005), ο πίνακας που ακολουθεί παρέχει τη σύνοψη οκτώ διατάξεων που εξετάστηκαν τότε (με τον τύπο άξονα, διάμετρο ρότορα και ονομαστική ισχύ): Διάταξη GCK Lunar MCT Open Sea SMD UEK Verdant Hydro power Hydro Άξονας Κατακόρυφος Κατακόρυφος Τύπος Άνωσης Αγωγός Διπλός Rim Gen Αντίστασης Διπλός Διπλός - Διάμετρος 1 m 21 m 18 m 15 m 1 m 8 m 3 m 5 m Ισχύς 7 kw 2 MW 1,5 MW 1,5 MW 44 kw 1 MW 400 kw 34 kw -7-
Όσον αφορά το μέγεθος των εγκαταστάσεων κλίμακας πάρκου των τεχνολογιών αυτών, και σύμφωνα με τις σχετικές μελέτες που έγιναν από τους αντίστοιχους φορείς ανάπτυξης των διατάξεων, μία συστοιχία 22 στροβίλων παλιρροιακού ρεύματος τύπου SST θα καταλάμβανε μια περιοχή εμβαδού μόλις ενός τετραγωνικού χιλιομέτρου. Με 4 MW ανά στρόβιλο, θα εξασφαλιζόταν ισχύς εξόδου της τάξης των 88 MW. Η ισοδύναμη ισχύς ενός πυρηνικού σταθμού (π.χ. 1232 MW) θα μπορούσε να ληφθεί από 14 τετραγωνικά χιλιόμετρα θαλάσσιας έκτασης. Ένα αιολικό πάρκο της ίδιας ονομαστικής ισχύος θα χρειαζόταν περίπου τετραπλάσια έκταση γης ή θαλάσσιας περιοχής, δηλ. 56 τετραγωνικά χιλιόμετρα, και με πολύ λιγότερο προβλέψιμη παραγωγή ενέργειας. -8-