ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ενότητα 4: Ενεργειακή Απόδοση Αιολικών Εγκαταστάσεων Καββαδίας Κ.Α. Τμήμα Μηχανολογίας
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή Απολογιστικός προσδιορισμός ενεργειακής παραγωγής Εκτίμηση αναμενόμενης ενεργειακής παραγωγής Μέσος συντελεστής ισχύος Τεχνική διαθεσιμότητα Ανάλυση τεχνικής αξιοπιστίας ανεμογεννητριών Παράγοντες που επιδρούν στην ενεργειακή παραγωγή Κριτήρια επιλογής ανεμογεννητριών 4
ΕΙΣΑΓΩΓΗ (1/2) Η αξιοποίηση της κινητικής ενέργειας του ανέμου μιας περιοχής με τη βοήθεια των αιολικών μηχανών, έχει ως στόχο την παραγωγή του μέγιστου δυνατού ποσού ηλεκτρικής ή μηχανικής ενέργειας κατά τη διάρκεια της ωφέλιμης ζωής της εγκατάστασης. Η υψηλή ενεργειακή απόδοση αποτελεί το βασικότερο ίσως παράγοντα οικονομικής βιωσιμότητας και αποτελεσματικότητας μιας αιολικής εγκατάστασης. 5
ΕΙΣΑΓΩΓΗ (2/2) Η παραγόμενη αιολική ενέργεια εξαρτάται από: το μέγεθος της ανεμογεννήτριας, τον τύπο της ανεμογεννήτριας, τα ανεμολογικά χαρακτηριστικά της περιοχής, το ύψος τοποθέτησης, τη σωστή συνεργασία του τοπικού αιολικού δυναμικού και της λειτουργικής συμπεριφοράς της υπό εγκατάσταση αιολικής μηχανής. Για τη σύγκριση ανεμογεννητριών διαφορετικού μεγέθους, η ετήσια αιολική παραγωγή εκφράζεται είτε ανηγμένη στη μονάδα επιφάνειας της πτερωτής (kwh/m 2 ) είτε ως προς την ονομαστική ισχύ της μηχανής (kwh/kw). 6
ΑΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ (1/3) Καταγραφή παραγόμενης ισχύος E( t) = t + t 0 t 0 N( t) dt 7
ΑΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ (2/3) Για τον υπολογισμό της παραγόμενης ενέργειας μιας α/γ, τη χρονική στιγμή Δtt, είναι απαραίτητη η γνώση: της έντασης του ανέμου VV και της καμπύλης λειτουργίας της α/γ: NN tt = NN VV tt Δt της θερμοκρασίας αέρα, της ατμοσφαιρικής πίεσης, της σχετικής υγρασίας. 8
ΑΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ (3/3) + t 0 ρ( t) E( t) = δ ( t) N( V ( t)) dt ρ ρρ: πυκνότητα του αέρα ρρ ΚΣ : πυκνότητα του αέρα σε κανονικές συνθήκες πίεσης (1,0135 bar) και θερμοκρασίας (15 ο C), ίση με 1,2215 kg/m 3 δδ(tt) συνάρτηση του "Kronecker t t 0 ΚΣ δδ tt = 1, σε λειτουργία 0, εκτός λειτουργίας λόγω τεχνικών προβλημάτων 9
ΜΕΣΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Για οικονομοτεχνικούς υπολογισμούς, είναι σκόπιμο να αντιστοιχηθεί η α/γ με μια ισοδύναμη μηχανή συνεχούς ισχύος, η οποία παράγει την ίδια ποσότητα ενέργειας σε διάστημα Δtt. ωω Δt = E Δt NN oo Δt Θεωρούμε με το συντελεστή ισχύος, ότι μια α/γ συμπεριφέρεται συνολικά για χρονικό διάστημα Δtt σαν μια μηχανή ισχύος ίση με (ωω NN oo ). 10
ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ Εκφράζει την ικανότητα ασφαλούς λειτουργίας της α/γ από τεχνικής σκοπιάς. Παράγοντες που επηρεάζουν την τεχνική διαθεσιμότητα: Προγραμματισμένη επιθεώρηση συντήρησης Τυχαίες βλάβες Λειτουργία μηχανισμών αυτοπροστασίας Ριπές ανέμου Αυτοπεριστροφή καλωδίων Προβλήματα συχνότητας-τάσης Αδυναμία απορρόφησης παρεχόμενης ισχύος από το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο ώρες που η µηχανή είναι τεχνικά διαθέσιµη χαμηλή ζήτηση Δ = συνολικές ώρες της υπό µελέτη περιόδου ευστάθεια δικτύου ΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ (1/2) 11
ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ (2/2) Η τεχνική διαθεσιμότητα ενός αιολικού πάρκου εξαρτάται από την εξέλιξη της τεχνολογίας "Δ ο ", την ηλικία της εγκατάστασης "Δ n ", την προσβασιμότητα στην περιοχή εγκατάστασης "Δ w " και την ικανότητα απορρόφησης της αιολικής ενέργειας από το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο "Δ G ": ( τ n t) = ο ( t o ) ( ) ο w G 12
ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΑΝΑΜΕΝΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ανεμογεννήτρια Αιολικό δυναμικό 13
14
ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΑΝΑΜΕΝΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Καμπύλη πυκνότητας πιθανότητας ff(vv) Καμπύλη ισχύος του κατασκευαστή NN VV Ρεαλιστική πρόβλεψη του συντελεστή διαθεσιμότητας της εγκατάστασης Δ Ε( t) = N0 CF t CF = ω 15
ΜΕΣΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ (1/3) Η ακριβής τιμή του μέσου συντελεστή ισχύος είναι συνάρτηση του αιολικού δυναμικού μιας περιοχής και των λειτουργικών χαρακτηριστικών της α/γ. N( V ) ω = f ( V ) dv = N 0 0 V F V C N( V N 0 ) f ( V ) dv f ( V ) dv = 1 0 16
ΜΕΣΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ (2/3) ω 1 ω 2 V F N V = ( ) f ( V ) dv V C V F N V = ( ) f ( V ) dv V R N O N O ωω = ωω 1 + ωω 2 Στο παράδειγμα: ωω 1 = 0,29 (76%) ωω 2 = 0,09 (24%) ωω = 0,38 (100%) 17
ΜΕΣΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ (3/3) Στην περίπτωση α/γ με ρύθμιση ισχύος: VV FF ωω 2 = ff VV dddd VV RR Στην ειδική περίπτωση όπου χρησιμοποιείται η διανομή Weibull για την περιγραφή του αιολικού δυναμικού μιας περιοχής: ωω 2 = ee VV RR CC kk ee VV FF CC kk 18
ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ (1/7) Αιολικό πάρκο στην Ικαρία 7 α/γ των 55kW Λειτουργεί από το 1991 Ανήκει στη ΔΕΗ Καββαδίας Κ.Α., Καλαφάτης Ελ., Ζαφειράκης Δ.Π., Καλδέλλης Ι.Κ., 2010, "Ανάλυση τεχνικής αξιοπιστίας εν λειτουργία ανεμογεννητριών στην Ελλάδα", 4 o Εθνικό Συνέδριο για την Εφαρμογή των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, Μονάδα Ανανεώσιμων Ενεργειακών Πόρων ΕΜΠ (RENES), Μάιος 2010, Αθήνα. 19
ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ 0,40 ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ (2/7) ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΗ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ ΙΚΑΡΙΑΣ Συντελεστής φορτίου 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Έτος 20
ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ (3/7) ΩΡΕΣ ΕΚΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Νο 3 Η ανεμογεννήτρια Νο 3 είναι η πιο παραγωγική ανεμογεννήτρια του πάρκου. Παρέμεινε το 20% του χρόνου κατά τη διάρκεια 1991-2006 εκτός λειτουργίας καταγράφοντας μέση διαχρονική τεχνική διαθεσιμότητα της τάξης του 80%. Ώρες 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 έτος 21
ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ (4/7) Η α/γ Νο 4 παρουσιάζει σημαντικό αριθμό μηχανικών βλαβών κατά το δεύτερο έτος λειτουργίας (όπου εμφανίζεται και ο μέγιστος αριθμός βλαβών 15-ετίας), ενώ στη συνέχεια παρουσιάζεται τυχαία διασπορά βλαβών. 22
ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ (5/7) ΔΙΑΧΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Νο 6 Η ανεμογεννήτρια Νο 6 ήταν εκτός λειτουργίας το 2 ο και 3 ο χρόνο από την έναρξη λειτουργίας του πάρκου ενώ κατά τη διάρκεια της 15-ετίας καταγράφηκαν μεγάλες περίοδοι εκτός λειτουργίας μειώνοντας σημαντικά την ενεργειακή παραγωγή της μηχανής. Παραγόμενη Ενέργεια (MWh) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Αυγ-91 Φεβ-92 Αυγ-92 Φεβ-93 Αυγ-93 Φεβ-94 Αυγ-94 Φεβ-95 Αυγ-95 Φεβ-96 Αυγ-96 Φεβ-97 Αυγ-97 Φεβ-98 Αυγ-98 Φεβ-99 Αυγ-99 Φεβ-00 Αυγ-00 Φεβ-01 Αυγ-01 Φεβ-02 Αυγ-02 Φεβ-03 Αυγ-03 Φεβ-04 Αυγ-04 Φεβ-05 Αυγ-05 Χρονική Περίοδος 23
ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ (6/7) 24
ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ (7/7) ΧΡΟΝΟΣ ΕΚΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΝΑ ΤΥΠΟ ΒΛΑΒΗΣ Μηχανικές Ηλεκτρικές Ηλεκτρονικές 36% 56% 8% 25
ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΤΥΠΟΥ Α/Γ 26
a = 0 0 h h u u ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΥΨΟΥΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ (1/2) a = o H o H C C 10 H 0.088ln 1 10 H 0.088ln 1 k k o o = 27
ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΥΨΟΥΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ (2/2) Περιοχή με πολύ καλό αιολικό δυναμικό (Άνω Μούλια Κρήτης) Δύο α/γ διαφορετικών εταιρειών 200kW Λεπτό οριακό στρώμα (δ=50m) Μέτριο οριακό στρώμα (δ=100m) Παχύ οριακό στρώμα (δ=200m) Αύξηση του ω με την αύξηση του ύψους Σε περιοχές με παχύ οριακό στρώμα η αύξηση του ω είναι της τάξεως 20% για μεταβολή ύψους 35 σε 100 m 28
ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ k=2 29
ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ Δ = 0,95 Ανεμογεννήτρια 600 kkkk Σημαντική αύξηση παραγωγής με την αύξηση του CC Αλλαγή της επίδρασης του kk για τιμές του CC μικρότερες ή μεγαλύτερες του 8,0 30
ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ Κόστος αγοράς και εγκατάστασης. Μερίδιο αγοράς και συνολικός αριθμός των εγκατεστημένων μηχανών της κατασκευάστριας εταιρείας. Εμπορικότητα του συγκεκριμένου μοντέλου και η αξιοπιστία του σε συνάρτηση με το χρόνο. Χώρα προέλευσης, ο επίσημος φορέας πιστοποίησης και έγκρισης του μοντέλου. Ύπαρξη ή όχι επίσημου αντιπροσώπου στην Ελλάδα. Υποστήριξη της μηχανής μετά την πώλησή της (εγγύηση καλής λειτουργίας, παροχή ανταλλακτικών κ.λπ.). Τεχνικά στοιχεία της μηχανής (π.χ. διάμετρος πτερωτής, ύψος τοποθέτησης, συμβατότητα με το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο κ.λπ.). 31
ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ-1 Ανεμογεννήτρια ονομαστικής ισχύος "Ν ο " καλύπτει πλήρως την ημερήσια ζήτηση ισχύος καταναλωτή που περιγράφεται με ακρίβεια από την παρακάτω εξίσωση (μονάδες S.I.). Επιπλέον διαθέτει στο διάστημα της ίδιας ημέρας σε σύστημα συσσωρευτών περίσσεια ενέργειας 150kWh. Να υπολογισθεί η ονομαστική ισχύς της μηχανής εάν ο ημερήσιος συντελεστής φορτίου της εγκατάστασης ισούται με 0,45. N( t) = 120000 + 1,2 t ( 36000) 32
ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ-2 33
Τέλος Ενότητας