Ήπιες Μορφές Ενέργειας E06 Διδάσκοντες: Καθηγητής Μ. Σανταμούρης Λέκτορας Μ. Ασημακοπούλου Βιβλία: Αιολική και άλλες ανανεώσιμες μορφές ενέργειας (Λιώκη-Λειβαδά, Ασημακοπούλου) ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ Συμβατικές και Ηπιες μορφές ενέργειας (Μπαλαράς, Αργυρίου, Καραγιάννης) ΤΕΚΔΟΤΙΚΗ
Ενεργειακή κατανάλωση: Χτες και σήμερα 1970: η δεκαετία της πετρελαϊκής κρίσης Μείωση των αποθεμάτων πετρελαίου και γαιανθράκων Αύξηση ζήτησης Εξάρτηση για εισαγωγή καυσίμων Αύξηση της ρύπανσης Ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου Ήπιες πηγές ενέργειας
Ήπια πηγή ενέργειας: κάθε μορφή ενέργειας που δεν ρυπαίνει το περιβάλλον Ανανεώσιμη πηγή ενέργειας: κάθε πηγή ενέργειας που θεωρητικά είναι ανεξάντλητη Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέμου που προέρχεται από τη μετακίνηση αερίων μαζών της ατμόσφαιρας αποτέλεσμα της μετατροπής του % της ηλιακής ενέργειας Το συνολικό εκμεταλλεύσιμο αιολικό δυναμικό της Ελλάδας μπορεί να καλύψει ένα μεγάλο μέρος των ηλεκτρικών αναγκών της Αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας -> οικονομικά συμφέρουσα - > αξιόλογο αιολικό δυναμικό
Γενική ατμοσφαιρική κυκλοφορία Ηλιακή ακτινοβολία (ελάττωση από τον ισημερινό προς τους πόλους) Περιστροφή Γης (αδράνεια) Εναλλαγή ξηράς/θάλασσας (ανομοιόμορφη ψύξη του πλανήτη) Γενική ή πλανητική ατμοσφαιρική κυκλοφορία (υψηλές/χαμηλές πιέσεις) οριζόντια μεταφορά Οφείλεται σε συνοπτικούς λόγους (διαφορές πιέσεων και θερμοκρασιών) ή Γενικότερα χαρακτηριστικά που αποκτούν οι αέριες μάζες όταν περάσουν μέσα από περιοχές με διαφορετικά χαρακτηριστικά
Άνεμος Ηλιακή ακτινοβολία (ελάττωση από τον ισημερινό προς τους πόλους) Περιστροφή Γης Ανομοιομορφία γήινου ανάγλυφου (εναλλαγή ξηράς/θάλασσας) Δημιουργία συνεχούς κίνησης του αέρα προς όλες τις κατευθύνσεις Η οριζόντια συνιστώσα της κινήσεως του αέρα καλείται άνεμος Οι δυνάμεις που ρυθμίζουν την κίνηση του αέρα: Δύναμη βαροβαθμίδας Δύναμη coriolis (οριζόντια εκτρεπτική δύναμη) Δύναμη τριβής
Χαρακτηριστικές παράμετροι του ανέμου Ταχύτητα του ανέμου Διεύθυνση του ανέμου Επικρατούσα στην περιοχή ανατάραξη Στροβιλισμός του ανέμου Μεταβλητότητα του ανέμου Μεταβολή με το ύψος πάνω από την επιφάνεια του εδάφους της ταχύτητας του ανέμου (κατατομή)
Ταχύτητα του ανέμου Στιγμιαία ταχύτητα του ανέμου ( t) ( t) Μέση ταχύτητα του ανέμου 50 1 T t 0 T t 0 ( t) dt Ταχύτητα Ανέμου Τ = 10 min T Ταχύτητα -10 Χρόνος
Μέγιστη ταχύτητα του ανέμου (αντοχή συστήματος αιολικής μηχανής) Γεωγραφική θέση περιοχής Χαρακτηριστικά ανάγλυφου Στατιστική επεξεργασία χρονοσειράς >0 χρόνια -> στατιστικός νόμος ακραίων τιμών - χρόνια -> στατιστικός νόμος υπερβάσεων Ριπές του ανέμου Ξαφνική μικρής διάρκειας αύξηση της ταχύτητας του ανέμου ( ριπής > 9. m/s και Δ = 4.6 m/s) Καθορίζει την κόπωση της πτερωτής της ανεμογεννήτριας Αν οι ριπές διαρκέσουν περισσότερο από 0 sec θα πρέπει να υπάρχει πρόβλεψη η αιολική μηχανή να τεθεί εκτός λειτουργίας 50 40 Ριπές Ανέμου Ριπή (m/sec) 0 0 10 0 0 1 4 5 6 sec
Διεύθυνση ανέμου Ορισμός: το σημείο του ορίζοντα από το οποίο φυσάει ο άνεμος σε σχέση με τη θέση από την οποία μετράμε Ταλαντεύεται γύρω από μια θέση (< διακυμάνσεις από ότι η ταχύτητα) Αρκετός χρόνος για σημαντική αλλαγή διεύθυνσης Ροδογράμματα: συχνότητες εμφάνισης των διαφόρων διευθύνσεων του ανέμου Επικρατούσα διεύθυνση ανέμου: αυτή που εμφανίζει στο σημείο μέτρησης τη μεγαλύτερη συχνότητα Μια για κάθε δείγμα Συνήθως αλλάζει με την εποχή
Κύρια διεύθυνση ανέμου: κάθε διεύθυνση που συνεισφέρει τουλάχιστον 10% στη συνολική διαθέσιμη αιολική ενέργεια Προσανατολισμός λόφων, βουνών, κοιλάδων και άλλων χαρακτηριστικών εδάφους (κτίρια, βλάστηση κλπ.) Μια ή περισσότερες κύριες διευθύνσεις Προσήνεμη περιοχή: ο χώρος μεταξύ του σημείου που τοποθετείται μια αιολική μηχανή και του σημείου του ορίζοντα από το οποίο πνέει ο άνεμος Υπήνεμη περιοχή: προστατευμένη από τον άνεμο
Ανατάραξη αέρα Διακύμανση της ταχύτητας του αέρα (γύρω από τη μέση τιμή) t T ( t) ( t) 0 t Ένταση της ανατάραξης 1 T 0 dt, T 10 min Εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του εδάφους I Τυπική απόκλιση
Επιφανειακή τραχύτητα Επιφανειακή τραχύτητα: σύνολο όμοιων χαρακτηριστικών τραχύτητας Το μήκος τραχύτητας μπορεί να αλλάζει με τις εποχές (εποχές, συγκομιδή,...) Χαρακτηρίζεται από την τραχύτητα του εδάφους z 0 η οποία απεικονίζει το μέσο ύψος ανωμαλιών του εδάφους Επιφανειακή τραχύτητα: το μέσο ύψος των χαρακτηριστικών τραχύτητας, χωρίς να ληφθούν υπόψη το σχήμα των στοιχείων τραχύτητας αλλά και άλλες ιδιότητές τους Μήκος τραχύτητας (lgh0.88) z 0 10 ( m) h: μέσο ύψος στοιχείων τραχύτητας
Ανατάραξη του αέρα Όταν τα επιφανειακά χαρακτηριστικά είναι πολύ μικρά ή ευλύγιστα στον άνεμο -> z 0 f () I 1 z ln z 0 για z0 0. 0m I 0.14 ln ln z z z 0 0 0.78 για z0 0. 0m Το μήκος τραχύτητας και η ένταση ανατάραξης είναι βασικά μεγέθη για την εγκατάσταση αιολικής μηχανής
Τάξεις τραχύτητας: Ανοιχτές περιοχές χωρίς σημαντικά εμπόδια (τάξη τραχύτητας 1) Καλλιεργημένη περιοχή με ορισμένα εμπόδια σε απόσταση >1000μ μεταξύ τους (τάξη τραχύτητας ) Συνδυασμός δάσους και καλλιεργημένης περιοχής με πολλά εμπόδια στα περίχωρα της πόλης (τάξη τραχύτητας ) Κατηγορία Τραχύτητας Τύπος εδάφους Ζο(m) 0 Πηλώδες έδαφος, Πάγος 10-5 *10-5 0 Ήρεμη θάλασσα *10-4 - *10-4 0 Αμμώδες έδαφος 10-4 10-0 Χιονοκαλυμμένο επίπεδο έδαφος 4.9*10-1 Χέρσο έδαφος 10 - -0.01 1 Χλοερό έδαφος 0.017 1 Επίπεδο ακαλλιέργητο έδαφος 0.01 Χαμηλή βλάστηση, Στέπα 0.0 Υψηλά χόρτα 0.09 Σιτοβολώνες 0.045 Καλλιέργειες 0.064 Θαμνώδες έδαφος 0.1-0. Δάση με χαμηλά δένδρα 0.05-0.1 Δάση με υψηλά δένδρα 0.-0.9 Προαστιακές περιοχές 1- Πόλεις 1-4
Ορισμός επικρατουσών διευθύνσεων του ανέμου Ταξινόμηση εδάφους Επίπεδο έδαφος Σύνθετο έδαφος Ομοιόμορφη τραχύτητα Προσδιορισμός Ανομοιόμορφη τραχύτητα τοπογραφικών χαρακτηριστικών Καταγραφή εμποδίων Ορισμός τραχύτητας Ορισμός τραχύτητας και αλλαγών τραχύτητας
Μεγάλοι αργής περιστροφής Στροβιλισμός αέρα Οφείλεται στην ύπαρξη διαφόρων φυσικών χαρακτηριστικών της επιφάνειας του εδάφους σε επιφάνειες κάθετες στο έδαφος (τοίχοι, κτίρια κλπ): οργανωμένοι στρόβιλοι Στενοί στρόβιλοι, μεγάλη ταχύτητα Αποτέλεσμα: ανατάραξη, επηρεάζουν την παρεχόμενη ισχύ αλλά και την εγκατάσταση μια αιολικής μηχανής
Μεταβλητότητα του ανέμου Μεταβλητότητα της μέσης ετήσιας ταχύτητας του ανέμου Κλίμα - Εκτίμηση αιολικού δυναμικού περιοχής: μεγάλη χρονοσειρά δεδομένων ->μέση τιμή + μεταβλητότητα Περιοδικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου Εποχική μεταβολή Αποτέλεσμα της μετατόπισης των χαμηλών και υψηλών πιέσεων Σταθερές παρατηρούμενες εποχικές μεταβολές ανά περιοχή Μεγαλύτερες ταχύτητες ανέμου (χειμώνας) Ημερήσια μεταβολή Μέγιστο: μεσημβρινές και πρώτες απογευματινές ώρες (μέγιστο κατακόρυφης κυκλοφορίας) Διαφορά ειδικής θερμότητας επιφανειών Αιφνίδιες μεταβολές στη διεύθυνση και την ταχύτητα του ανέμου Διέλευση ψυχρού μετώπου
Τοπικοί μηχανισμοί Θαλάσσια αύρα Μεγαλύτερη ένταση: απογευματινές ώρες θαλάσσιας αύρας > απόγειας αύρας Αναβάτες και καταβάτες άνεμοι Ασθενής συνοπτικός άνεμος ισχυρή θέρμανση ψύξη Καλοκαιρινοί μήνες Αύρα κοιλάδας Αύρα βουνών
z Κατατομή (profile) του ανέμου Κοντά στο έδαφος (λόγω τριβής) τείνει στο 0 Αυξάνει καθ ύψος Σταθεροποίηση σε ύψος (χωρίς την επίδραση του εδάφους) Λογαριθμικό προφίλ Η κατατομή μπορεί να διαταραχθεί από διατμητικό άνεμο (καταιγίδα, τυφώνας, πολύ ευσταθές νυκτερινό οριακό στρώμα) R z H
Στατιστική μελέτη του ανέμου Εκτίμηση του διαθέσιμου αιολικού δυναμικού περιοχής Ετήσια καμπύλη διάρκειας των διαφόρων ταχυτήτων του ανέμου Ετήσια καμπύλη συχνότητας (διάρκεια ημερών που η μέση βρίσκεται σε ορισμένο πεδίο τιμών) Καμπύλες διαστημάτων νηνεμίας Ταχύτητα ανέμου Συχνότητα Καμπύλη Διάρκειας Καμπύλη Συχνότητας Διάρκεια (ημέρες) Ταχύτητα ανέμου
Προσδιορισμός περιόδου εκτός λειτουργίας ΑΜ Μέσος αριθμός περιόδων με ταχύτητα ανέμου <u 5 m/s m/s m/s 5 10 15 Εύρος (ημέρες)
Θεωρητική προσέγγιση στην κατανομή συχνοτήτων των ταχυτήτων του ανέμου Απαιτήσεις Ωριαίες τιμές ταχυτήτων ανέμου Μετατροπή από κλίμακα Beaufort Κατανομή συχνοτήτων p() των ταχυτήτων του ανέμου Μέση τιμή της ταχύτητας του ανέμου (πρώτη ροπή) 1 N (τρίτη ροπή) / Ν:πλήθος μετρήσεων της ταχύτητας N 1 του ανέμου Ειδικός παράγοντας ενέργειας Πιθανότητα p( i ) μέσα σε ορισμένα διαστήματα ταχυτήτων i Κατανομή συχνοτήτων των ταχυτήτων -> θεωρητική κατανομή Weibull Οι παράμετροι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις γραμμικών παρεμβολών για την εκτίμηση κατανομής συχνοτήτων των ταχυτήτων ανέμου
Στηρίζεται στον υπολογισμό παραμέτρων (k: παράμετρος μορφής, c: βαθμωτή παράμετρος) -> ακρίβεια για μεταβολή 100m από το έδαφος Ισοδύναμη αθροιστική πυκνότητα πιθανότητας: Διαδοχικές λογαριθμήσεις : Ορίζοντας: Κατανομή Weibull k c k e c c k p 1 ) ( k x x c x e d p p 1 ) ( ) ( 0 x x k c k p ln ln ln 1 ln ln y x p 1 ln ln ln( x ) x x k c k ln
Με την ευθεία παλινδρόμηση: a bx b k και a k ln c c e a b Η αναγωγή των τιμών της παραμέτρου c σε διάφορα ύψη μπορεί να γίνει με βάση το μοντέλο κατανομής του ανέμου το οποίο χρησιμοποιούμε για την συγκεκριμένη περιοχή της μελέτης. Η μεταβολή της παραμέτρου k καθ ύψος υπολογίζεται από νομόγραμμα το οποίο δίνει την μεταβολή της καθ ύψος
Κατανομή Weibull Κατανομή της πυκνότητας πιθανότητας Συνολική επιφάνεια=1 Ο μέσος της κατανομής=6.6m/sec (ίσα εμβαδά) Τον μισό χρόνο η ταχύτητα του ανέμου έχει τιμή μικρότερη από 6.6m/sec και τον άλλο μισό μεγαλύτερη από 6.6m/sec Μέση τιμή ανέμου: 7m/sec Η συχνότερη τιμή: 5.5m/sec Η μορφή της κατανομής διαφέρει από τόπο σε τόπο και εξαρτάται από τις τοπικές κλιματολογικές συνθήκες, το ανάγλυφο του εδάφους,...
Αιολικό δυναμικό
Επίδραση του εδάφους στη ροή του αέρα Επίπεδες περιοχές Επικρατούσες διευθύνσεις του ανέμου Έλεγχος κάλυψης προϋποθέσεων των αποστάσεων από το σημείο εγκατάστασης της αιολικής μηχανής Μήκος τραχύτητας z 0 Ταξινόμηση επίπεδης περιοχής Ομοιογενής περιοχή Περιοχή που παρατηρείται αλλαγή στην τραχύτητα εδάφους Περιοχή που παρεμβάλλονται εμπόδια
Ομοιόμορφη τραχύτητα εδάφους σε όλη την επιφάνεια Ομοιογενής περιοχή διαφορές ύψους θέσης εγκατάστασης της ΑΜ και του πεδίου σε ακτίνα 1km < 60m Σε ακτίνα 4km στα προσήνεμα και 0.8 km στα υπήνεμα θέσης εγκατάστασης της ΑΜ h 0.016 l h: ύψος λόφου στα προσήνεμα ( z H R) h Επίπεδη ομοιογενής περιοχή
Επίπεδη μη ομοιογενής περιοχή περιοχή που δεν χαρακτηρίζεται από το ίδιο μήκος τραχύτητας περιοχές με μία αλλαγή τραχύτητας αν η αλλαγή > 10% : επηρεάζεται η κατατομή του ανέμου δημιουργία κατώτερων οριακών στρωμάτων (1: επίπεδη περιοχή με z 0,, : μεταβατικό, : περιοχή με z 0,1 ο χώρος (οριζόντια) που μπορεί να φτάσει το υπόστρωμα L * 10 z 0, i 1 z 0,1 z 0, 1 Εμπειρικός υπολογισμός ύψους/πάχους στρώματος 0, 0.8 0. ( x) 0, 0.75 0.0ln x z0, z0,1 z
περιοχές με περισσότερες αλλαγές τραχύτητας ορισμός ύψους κατώτερων οριακών στρωμάτων αριθμός υποστρωμάτων (4km) απόσταση αλλαγών τραχυτητών ταχύτητα ανάπτυξης υποστρωμάτων ύψος πτερωτής της ΑΜ η πτερωτή της ΑΜ επηρεάζεται από 1 ή τραχύτητες αν η απόσταση εγκατάστασης της ΑΜ από το τελευταίο σημείο αλλαγής τραχύτητας είναι μεγαλύτερη του μήκους L * x L * 0, i(max) 0, i(max) ο χώρος που μπορεί να φτάσει το υπόστρωμα i
Απε Απεικόνιση των υψών των εσωτερικών οριακών στρωμάτων που δημιουργούνται λόγω αλλαγής τραχύτητας στην περιοχή μιας ΑΜ 0, 0.8 0. ( x) 0, 0.75 0.0ln x z0, z0,1 z
βέλτιστη θέση εγκατάστασης ΑΜ η μεγαλύτερη προσλαμβανόμενη ενέργεια επιτυγχάνεται πάνω στην επιφάνεια με την μικρότερη τραχύτητα να ληφθεί υπόψη το ύψος του άξονα περιστροφής της ΑΜ (z H ) σε σχέση με το ποσό της προσλαμβανόμενης ενέργειας σε ύψος 0-100m από το έδαφος και η ακτίνα R της πτερωτής z H -R πάνω από το έδαφος > h c (h c μέσο ύψος τραχύτητας) -> ικανοποιητική προσλαμβανόμενη αιολική ενέργεια R
η ΑΜ επηρεάζεται από μια τραχύτητα αν δ 0,i >z H +R x 0,i L * 0,i η ΑΜ επηρεάζεται από δυο τραχύτητες αν δ 0,i(max-1) -δ 0,i(max) >0.δ 0,i(max) δ 0,i(max) <z H +R δ 0,i(max) >z H -R Εναλλακτικά, ορισμός αριθμού θέσεων εγκατάστασης ΑΜ λαμβάνοντας υπόψη άλλους παράγοντες R
Μη επίπεδες περιοχές Η ροή του αέρα επηρεάζεται με τον ίδιο τρόπο αλλά ισχυρότερα μέχρι ένα ύψος Μη επίπεδες περιοχές: διαφορετική επίδραση στη ροή του αέρα Εξάρσεις (λόφοι, οροσειρές, σχηματισμοί με απότομες πλαγιές) Κοιλότητες (κοιλάδες, λεκανοπέδια κλπ) Επιλογή θέσης εγκατάστασης ΑΜ Τοπογραφικά χαρακτηριστικά Εμπόδια Τραχύτητα εδάφους
Εξάρσεις (ταχύτητα ανέμου αυξάνει με το υψόμετρο + μεγαλύτερη εμμονή) Ημερήσια και ετήσια πορεία θερμοκρασίας αέρα Αύρες βουνών Κοιλότητες Έκθεση στον επικρατούντα άνεμο Παρουσία τοπικών ανέμων -> ισχυρότερη ημερήσια και εποχική διακύμανση αιολικής ισχύος
Μεταβολή του ανέμου με το ύψος Αιολικό δυναμικό: μερικές εκατοντάδες μέτρα πάνω από την επιφάνεια του εδάφους (κατώτερα τμήματα ΑΟΣ) Ορισμός: το κατώτερο μέρος της τροπόσφαιρας (κοντά στην επιφάνεια του εδάφους - 50m με km) που επηρεάζεται από τα χαρακτηριστικά του εδάφους (θερμικά + μηχανικά) Τραχύτητα εδάφους Υπάρχοντα εμπόδια τοπογραφία
Κατατομή (profile) του ΑΟΣ Το ΑΟΣ χωρίζεται σε περιοχές: Επιφανειακό στρώμα (cm λίγα m ) Μικρές κατακόρυφες μεταφορές Ομαλή ροή Στρώμα Prandtl (m δεκάδες m) Έντονες μεταβολές των μετεωρολογικών παραμέτρων Στρώμα ΕΚΜΑΝ (δεκάδες m km) Σταθερή ικανότητα ανάδευσης και κατακόρυφης μεταφοράς Ομαλή μεταβολή ανέμου
Ριπές + στροβιλοειδείς κινήσεις 10min Η μορφή εξαρτάται από το τοπικό περιβάλλον και την ευστάθεια της ατμόσφαιρας Μεταβολή ταχύτητας ανέμου με το ύψος στη θέση και ύψος εγκατάστασης ΑΜ Λόγω τριβής
Γενικό μοντέλο κατατομής ανέμου Ταχύτητα τριβής = ( z) u Σταθερά von Karman 0.4 Μήκος τραχύτητας * 0 k zz z 0 0 z z g= επιτάχυνση βαρύτητας Τ= απόλυτη θερμοκρασία Η f = κατακόρυφη ροή θερμότητας Παράμετρος C p = ειδική θερμότητα σε σταθερή ευστάθειας πίεση Μonin-Obukhov f(g, T, H F, c p ) L dz Παραδοχές ισχύος: 1. Η δύναμη Coriolis πάνω από το στρώμα της ατμόσφαιρας F=*m*ω*u*ημφ <<< F ιξώδους. Η βαροβαθμίδα πάνω από μια περιοχή με z=σταθ. είναι αμελητέα
Ατμοσφαιρική ευστάθεια: η τάση αέριας μάζας να μετακινηθεί κατακόρυφα μέσα στην ατμόσφαιρα, να επιστρέψει ή όχι στην αρχική θέση που ξεκίνησε Τυπική παράμετρος ευστάθειας Κατακόρυφη θερμοβαθμίδα Ri Ri < 0 (ασταθείς συνθήκες) dt dz g c p Ri = 0 (ουδέτερες ατμοσφαιρικές συνθήκες) dt dz g c p Ri < 0 (ευσταθείς συνθήκες) dt dz g c p
Ανάλογα με την ευστάθεια της ατμόσφαιρας ) ( ln ) ( 0 0 * Ri f z z z k u z x ) ( ln ) ( 0 0 * L z f z z z k u z x
Ri < 0 (ασταθείς συνθήκες) Τ ελαττώνεται με το ύψος γρηγορότερα από την αδιαβατική θερμοβαθμίδα x u ˆ ˆ * z z0 1 x 1 x 1 ( z) ln ln ln tan xˆ k z0 xˆ f γρήγορη σταθεροποίηση (σε μικρά h) της u για οποιοδήποτε z 0 ( Ri) Ri = 0 (ουδέτερες ατμοσφαιρικές συνθήκες) Όσο μικρότερο το z 0 τόσο μικρότερο το h σταθεροποίησης της u * ln k z z z Ri > 0 (ευσταθείς συνθήκες) Τ ελαττώνεται με το ύψος αργότερα από την αδιαβατική θερμοβαθμίδα Όσο μικρότερο το z 0 τόσο μικρότερο το h σταθεροποίησης της αλλά για το ίδιο z 0 η σταθεροποίηση σε μεγαλύτερο h 0 z0 z 1000z 0 x ( z) 0 u * z z0 x ( z) ln 4. 5 k z0 z L z L Ri 1 4.5Ri
Εκθετικός νόμος κατατομής ανέμου u 1 u z z 1 n f ( z 0, Ri) n Εφαρμόζεται 1.Σε στατικά δεδομένα. Αν Ζ 1 -Ζ >0m (ακριβείς υπολογισμοί) Για z =10 οι τιμές του n μπορούν να ληφθούν απευθείας Κατηγορία τραχύτητα ς Είδος εδάφους z 0 (m) n 0 Εξομαλυμένο (θάλασσα, χιόνι, άμμος) 0.001-0.0 0.10-0.1 1 Μέτρια τραχύτητα (χαμηλή βλάστηση και καλλιέργειες, αγροτικές περιοχές) 0.0-0.0 0.1-0.0 Τραχύ έδαφος (δάση, προάστια πόλεων) 0.0-.0 0.0-0.7 Πολύ τραχύ έδαφος (αστικές περιοχές, ψηλά κτίρια).0-10.0 0.7-0.40
Για z 10m Σε ουδέτερες συνθήκες (U 6m/s) ln z 0. 4 n 0.04 ln z0 0.00 0 z 1, z από το επίπεδο μηδενικού ανέμου (Εμπειρική σχέση) n ln 1 z z 1 0 z
Κατατομή του ανέμου σε ομοιογενείς επίπεδες περιοχές Ομοιογενής περιοχή ομοιόμορφη κατανομή στοιχείων τραχύτητας με πυκνότητα 10-0% του συνόλου z 0 =0.15h (μέσο ύψος τραχύτητας) Επίδραση z 0 μέχρι ύψους δ=0.08x z u( z).5u* ln ισχύει για ύψη >>z * =h z Αν η πυκνότητα στοιχείων τραχύτητας >5% 0 Απόσταση από το σημείο μέτρησης μέχρι το σημείο που αλλάζει η τραχύτητα u( z) ( zd ).5u* ln, d z 0 0.7h Ύψος μετατόπισης
Κατατομή του ανέμου σε ομοιογενείς επίπεδες περιοχές Αεροδρόμιο (ομοιογενείς επίπεδη περιοχή) - μετρήσεις ανέμου σε ύψος 10m z 0 =0.07 u( 10).5u * 10 ln 10 0.07 Για a u z) u(10) ln ( z) * z ( u 0 u *10 u 1 * u 10 *10 ln 0.07 10 ln 0.07
Κατατομή του ανέμου σε ομοιογενείς επίπεδες περιοχές Κατηγορία εδάφους u( z) u(10) a ln z 0 z z 1 0.005 0.166 0.0 0.18 0.07 0.0 4 0.5 0.9 0 α Τοποθέτηση ανεμογράφων στα 10m δεν απαιτεί μέτρηση της ταχύτητας τριβής για την εκτίμηση ταχύτητας ανέμου σε κάποιο ύψος Αστικός θόλος 5 0.4 0.40 6 1 0.66
Κατατομή του ανέμου σε μη ομοιογενές πεδίο 1. Ανομοιόμορφη κατανομή εδαφικών χαρακτηριστικών. Μέγεθος εδαφικών χαρακτηριστικών ~ μέγεθος αιολικής μηχανής hb R 0.75 Εδαφικά εμπόδια: αν ( z) az ln (10) 01 z z z 0 H z R 6 H h B για να αγνοηθούν θα πρέπει Ύψος εμποδίου 6 h B Τραχύτητα εδάφους, μοναχικά τεχνητά εμπόδια -> ελάττωση Φυσικά εμπόδια -> ελάττωση ή αύξηση 0 h B
Ποσοστό μεταβολής καθ ύψος της ταχύτητας του ανέμου
Μορφή λόφου Κατατομή παρουσία εμποδίου a ( z) ( z) 1 C 1 0.05ln L z 0 H L ln z L Πεδίο ροής ανέμου πάνω από ημιτονοειδή λόφο a ( z) ( z) 1 a1 x h m Διαχωρισμός ροής d/h α1 m 4.9 1. 48.1 1.7 1 0.7 1.18 0.5 0.095 0.97 Θόλος διαχωρισμού της ροής γύρω από κτίριο
Υπολογισμός διαθέσιμης αιολικής ισχύος από στιγμιαίες ταχύτητες ανέμου E AS 0.5( At ) 0.5m 0.5 E E P t 0.5At 0.5A 88.15 p Πυκνότητα αέρα 1.5 1.5kgr / m const. 101. Επιφάνεια σάρωσης A D 4 R P1 0.5A( 1 ) 0.5A(11) Ταχύτητα του ανέμου 1. P 0.5A( ) 0.5A(10)
Υπολογισμός διαθέσιμης αιολικής ισχύος από μέσες ταχύτητες ανέμου 0 0 0 0 1 0.5 0.5 A dt dt dt dt T A P T T T T T T T T dt T A dt t T A A P 0 0 5 0. ) ( 0.5.5 0 Εξ ορισμού 0 και με δεδομένο ότι I max min max 0 ) ( 1 0.5 ) ( 1 0.5 1 0.5 i i i i i T T f I A d f I A P I A P 0 Κατανομή συχνοτήτων των δεδομένων ταχύτητας για ορισμένο διάστημα Συμμετρία στατιστικής κατανομής στιγμιαίων ταχυτήτων ανέμου
Υπολογισμός της ετήσιας διαθέσιμης αιολικής ενέργειας T E 465 E E (4 65 4.8 A )0.5 A 1 I max 1 I f ( ) ( kwh / ) i min i i max i min f ( i ) i Για Α=1m και ρ αέρα =σταθ.=1.5kgr/m E E 5.66 1 max I f ( ) ( kwh / m ) i min i i
Εκμεταλλεύσιμη αιολική ισχύς Υπολογισμός ορίου του Betz Συντελεστής ισχύος: μέγιστο ποσοστό κινητικής ενέργειας που μπορεί να δεσμεύσει μια ΑΜ Παραδοχή: ιδανική πτερωτή Χωρίς μηχανισμό Απεριόριστος αριθμός πτερυγίων χωρίς αντίσταση στον αέρα Θεώρηση: Ομοιόμορφες συνθήκες σε όλη την περιοχή σάρωσης Ταχύτητα παντού αξονική 1 =μηχανική ενέργεια + -> 1 > Ο αέρας είναι ασυμπίεστος -> Α 1 <Α Οι συνθήκες πίεσης στα προσήνεμα και στα υπήνεμα παραμένουν ίδιες Νόμος Bernoulli p p p 0.5. i i Στατική πίεση Δυναμική πίεση
Εκμεταλλεύσιμη αιολική ισχύς Υπολογισμός ορίου του Betz Νόμος Bernoulli p Πίσω από την ιδανική πτερωτή p i p 0.5. i p 0.5 1 p 0. 5 Εμπρός από την ιδανική πτερωτή p 0.5 p 0. 5 Αφαίρεση κατά μέλη p p 0. 0.5 1 5 1 1 P - P +
Εκμεταλλεύσιμη αιολική ισχύς Υπολογισμός ορίου του Betz Θεώρημα Euler (δύναμη που ασκεί ο άνεμος στην πτερωτή) F A ( ) 1 Ώθηση A p p Στη μονάδα του χρόνου F=Ω 1 Εφόσον < 1 -> = 1 (1-α), 0<α<1 1 (1-α)= 0.5 1 +0.5 => 1-1 α= 0.5 1 +0.5 => 1-1 α-0.5 1 = 0.5 => 1 α = 0.5 1-0.5 => α=0.5( 1 - )/ 1 Αν όλη η κινητική ενέργεια είχε μετατραπεί σε μηχανική τότε =0 => α=0.5 0<α<0.5 P - P +
Απορροφούμενη Ισχύς Ρ Εκμεταλλεύσιμη αιολική ισχύς Υπολογισμός ορίου του Betz P F A (1 a) a A a(1 a) 1 A ( 1 1 ) A 1 a 1 όριο του Betz C p(max) Για μέγιστη Ισχύ (Ρ=max) α=1 ή α=1/ P 16 7 A 1 1 A 1 1 (1 1 ) P A 8 7 A dp da 0 a 1 1 a 1 1 P - P +
Μέγιστη εκμεταλλεύσιμη αιολική ενέργεια Ετήσια διαθέσιμη αιολική ενέργεια εξαρτάται από την κατανομή συχνοτήτων των ταχυτήτων του ανέμου δεν απορροφάται όλη Ο αέρας εξακολουθεί να έχει ταχύτητα και μετά την απομάκρυνση του από την πτερωτή Η μάζα του αέρα που διαπερνά την πτερωτή είναι μικρότερη από τη θεωρητική τιμή Μέγιστη εκμεταλλεύσιμη αιολική ενέργεια Διαθέσιμη αιολική ενέργεια Όριο του Betz = 0.59 E E c P.18 5.66 1 I ) max 1 I f ( ) kwh / m i min max i min i f ( 1 i 1
Απόδοση αιολικών μηχανών Μέγιστη εκμεταλλεύσιμη αιολική ενέργεια =59,% της διαθέσιμης αιολικής ενέργειας Συντελεστής απόδοσης Επικρατούσες ταχύτητες του ανέμου P 0.5 A max min cp ( ) p( ) d Μεταβλητότητα των διευθύνσεων του ανέμου Λόγος της ταχύτητας ακροπτερυγίου (λ) R Γωνία προσβολής β (χορδή του πτερυγίου με το επίπεδο περιστροφής των πτερυγίων)
P M c P ( ) n 1 n n P E M P M T n 1 = απόδοση του πολλαπλασιαστή n =απόδοση συσσωρευτή n =απόδοση γεννήτριας Τ = χρονικό διάστημα λειτουργίας
Απόδοση αιολικής μηχανής είναι μικρή Σε πολύ χαμηλές ταχύτητες οι ΑΜ δεν λειτουργούν Σε ένα πεδίο ταχυτήτων η ΑΜ εκμεταλλεύεται μέρος μόνο της κινητικής ενέργειας του ανέμου Σε πολύ υψηλές ταχύτητες οι ΑΜ τίθενται εκτός λειτουργίας ή ελαττώνεται η επιφάνεια σάρωσης χαρακτηριστικές ταχύτητες από τις οποίες εξαρτάται η παρεχόμενη ισχύς
Ταχύτητα έναρξης λειτουργίας (cut-in speed) Για < 0 η ΑΜ δεν αποδίδει ισχύ λόγω τριβών Ισχύς του ανέμου που χάνεται για Ονομαστική Ισχύς < 0 της AM 0 P0 8 PR cp P R D 1 Εμπειρικά P P R 0 0. 10 Μέγιστη τιμή του συντελεστή ισχύος = 0.59
Ονομαστική ταχύτητα (rated speed) Για > 0 και όσο αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου -> παράλληλη αύξηση της ωφέλιμης ισχύος της ΑΜ μέχρι ταχύτητα R (σταθερή παραγόμενη ισχύς) Για > R -> απώλεια εκμεταλλεύσιμης ισχύος ανέμου Η καλύτερη δυνατή σχέση μεταξύ παρατηρούμενων ταχυτήτων ανέμου και ονομαστικής ισχύος της ΑΜ R 1. 9 Μέση ετήσια ταχύτητα
Ταχύτητα εξόδου (furling speed ή cut-out speed) Η ταχύτητα του ανέμου πέραν από την οποία η ΑΜ τίθεται εκτός λειτουργίας ( 1 ) Κυμαίνεται από έως 8 m/s Εναλλακτικά υπάρχει σύστημα μείωσης της επιφάνειας σάρωσης Απώλεια διαθέσιμης ισχύος
Υπολογισμός παρεχόμενης ισχύος ΑΜ Αν ληφθούν υπόψη: κατανομή ταχυτήτων + χαρακτηριστικές ταχύτητες ΑΜ 0, 1, R P g max min P( ) p( ) d P()=0 για 0 P()=A+B+C για 0 < R 0 c R 1 P()=P R για R < 1 P()=0 για > 1 Λύση συστήματος A+B 0 +C 0 =0 A+B R +C R = P R c = ( 0 + R )/ A+B c +C c = P R ( c / R )
Υπολογισμός αιολικής ισχύος (παραμέτρους Weibull) Μη διαθέσιμες μετρήσεις ταχύτητας ανέμου Γνωρίζοντας k,c k c k e c c k p 1 ) ( R R k k g p p P d c c c k C B A P R 1 1 0 exp
μηχανές με κατακόρυφο άξονα περιστροφής Παρεχόμενη ισχύς c P P g P P g A Τύποι αιολικών μηχανών Οι ΑΜ διακρίνονται σε μηχανές με οριζόντιο άξονα περιστροφής και σε c P () λ=1 αντιστοιχεί σε αιολική μηχανή με 8-4 πτερύγια λ= αντιστοιχεί σε αιολική μηχανή με 6-1 πτερύγια λ= αντιστοιχεί σε αιολική μηχανή με -6 πτερύγια λ=4 αντιστοιχεί σε αιολική μηχανή με -4 πτερύγια λ=5 αντιστοιχεί σε αιολική μηχανή με - πτερύγια f 0.59 R Λόγω Σχηματισμό στροβίλων Μηχανικών τριβών Λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου
Αιολικές Μηχανές οριζόντιου άξονα περιστροφής Παραδοσιακός ανεμόμυλος μεγαλύτερη απόδοση: >λ > c p 0. Μέγιστη παραγόμενη ισχύς P 0.15 R W Αργή αιολική μηχανή: (1-4 πτερύγια, χαμηλές ταχύτητες, μεγάλο βάρος, άντληση νερού) D=6-8m μεγαλύτερη απόδοση: λ =1 c p 0. Μέγιστη παραγόμενη ισχύς P R W 0.15 R 60.7
Αιολικές Μηχανές οριζόντιου άξονα περιστροφής Γρήγορη αιολική μηχανή (-4 πτερύγια, υψηλές ταχύτητες ανέμου) - cp 0.4 μεγαλύτερη απόδοση Μέγιστη παραγόμενη ισχύς R 6 60 P R W 0. -4 πτερύγια μικρό βάρος μικρό κόστος Μικρότερη κόπωση
Nacelle Rotor Blades Low speed shaft Gearbox High speed shaft Electrical generator Electronic control Cooling unit Tower Anemometer Wind Πτερωτή vane Κέλυφος ατράκτου Μέρη Α/Γ οριζόντιου άξονα Άξονας (high speed) Μέτρηση Ταχύτητας Διεύθυνσης ανέμου Κύριος άξονας (low speed) Πολλαπλασιαστής στροφών Ηλεκτρική Γεννήτρια Ηλεκτρονικός Έλεγχος
Αιολικές Μηχανές οριζόντιου άξονα περιστροφής Άλλοι τύποι αιολικών μηχανών οριζόντιου άξονα περιστροφής (μονόπτερη, ηθμό διάχυσης, με εγκάρσιες επιφάνειες στα άκρα των πτερυγίων) Αύξηση της ταχύτητας κατά 50%
Χαρακτηριστικά ΑΜ οριζόντιου άξονα περιστροφής Σχεδιασμός πτερωτής Συμπεριφορά της μηχανής στην εκκίνηση, επιβράδυνση κλπ Ρύθμιση βήματος των πτερυγίων Μελέτη αυτοματισμών σε σχέση με την ταχύτητα έναρξης λειτουργίας και την ταχύτητα εξόδου Προσανατολισμός πτερωτής Αντοχή των υλικών κατασκευής των πτερυγίων Προσδιορισμός του ύψους από το έδαφος του άξονα της πτερωτής Κατασκευή και θεμελίωση του πύργου στήριξης Επίδραση του πύργου στήριξης στη ροή του αέρα Μορφή του πεδίου ροής πίσω από την πτερωτή Δυνατότητα τοποθέτησης πολλών ΑΜ σε σειρές
Αιολικές μηχανές κατακόρυφου άξονα περιστροφής i) Κυπελλοφόρο ανεμόμετρο 0.<λ<0.9 cp<0.5 ii) iii) iv) Πανεμόνιο (αργόστροφη μηχανή) cp= μικρό Μηχανή του LAFOND 0.4<λ<0.9 cp= μικρό 0 =.5m/s Μηχανή Τύπου SAONIUS 0.9<λο<1 cp=0.5 Μέγιστη παραγόμενη ισχύς P 0.16 S W S h ( d e )
Αιολικές μηχανές κατακόρυφου άξονα περιστροφής 1. Μηχανές σταθερών πτερυγίων (DARRIEUS) 1. C p = c m λ, c m =συντελεστής ροπής του συστήματος. cp 0.4. Μέγιστη παραγόμενη ισχύς P 0.16 S W 5 R b l b: σύνθετη συνάρτηση εξαρτώμενη από τη γεωμετρία του συστήματος l:μήκος χορδής πτερυγίων ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 1. Απλότητα και οικονομία κατασκευής. Σύστημα ελαφρό δεν χρειάζεται μεγάλο πύργο στήριξη. Δεν απαιτείται σύστημα προσανατολισμού 4. Δεν χρειάζεται ρύθμιση περιορισμού ισχύος 5. Τοποθέτηση κοντά στο έδαφος ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 1. Χαμηλή απόδοση. Έλλειψη ροπής εκκίνησης
Αιολικές μηχανές κατακόρυφου άξονα περιστροφής i) Προφυλαγμένες μηχανές (τύπος πανεμόνιο) Μέγιστη ισχύς για 0.>λ>0.6 ii) iii) Μηχανές με περιστρεφόμενα πτερύγια Μηχανές τύπου TORNADO (μόνο πειραματικό μοντέλο)
Περιβαλλοντικοί κίνδυνοι για τις αιολικές μηχανές Ατμοσφαιρικές αναταράξεις Ελάττωση της συλλεγόμενης αιολικής ισχύος Ταλαντώσεις στο σύστημα και άνισες πιέσεις στην πτερωτή, ελαττώνουν το χρόνο ζωής Διατμητικός άνεμος Μέγιστες ταχύτητες ανέμου (πτερωτή και πύργο στήριξης) Καταιγίδες (ισχυροί άνεμοι, δυνατή βροχή, χαλάζι κλπ.) Πλημμύρες/Κατολισθήσεις Ακραίες θερμοκρασίες του αέρα Αλάτι και σκόνη
Περιβαλλοντικοί κίνδυνοι από τις αιολικές μηχανές Αλληλεπίδραση αιολικών μηχανών Αλλοίωση της αισθητικής του περιβάλλοντος χώρου Κλιματολογικές αλλοιώσεις (?) Επίδραση στην πανίδα Ηχορύπανση Ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις Απαλλοτρίωση ή αγορά γης Ασφάλεια του πληθυσμού
Πλεονεκτήματα Απεξάρτηση από χώρες παραγωγής συμβατικών καυσίμων Δεν υπάρχει κόστος πρώτης ύλης και αύξησης της τιμής Δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον Δεν υπάρχουν διυλιστήρια, αγωγοί και προβλήματα αποθεμάτων Απασχόληση πληθυσμού Τα αιολικά πάρκα μπορούν να ενισχύσουν τοπικά το ηλεκτρικό δίκτυο