ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΑΡΆΡΤΗΜΑ B. ΒΑΣΙΚΈΣ ΓΝΏΣΕΙΣ ΑΙΟΛΙΚΉΣ ΕΝΈΡΓΕΙΑΣ... 2 ΠΕΡΊΛΗΨΗ... 2 1 ΔΥΝΑΜΙΚΌ ΑΙΟΛΙΚΉΣ ΕΝΈΡΓΕΙΑΣ... 3 1.1 Ο ΆΝΕΜΟΣ... 3 1.2 ΤΟ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΌ ΟΡΙΑΚΌ ΣΤΡΏΜΑ... 5 1.3 ΜΕΤΑΒΟΛΉ ΤΑΧΎΤΗΤΑΣ ΑΝΈΜΟΥ ΜΕ ΤΟ ΎΨΟΣ... 6 1.4 ΜΕΤΑΒΟΛΉ ΤΑΧΎΤΗΤΑΣ ΑΝΈΜΟΥ ΣΕ ΣΎΝΘΕΤΗ ΤΟΠΟΓΡΑΦΊΑ... 6 1.5 ΜΕΤΑΒΟΛΉ ΤΗΣ ΤΑΧΎΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΑΝΈΜΟΥ ΜΕ ΤΟ ΧΡΌΝΟ... 8 1.6 ΜΕΤΡΉΣΕΙΣ ΑΙΟΛΙΚΟΎ ΔΥΝΑΜΙΚΟΎ... 10 1.7 ΡΌΔΟ ΑΝΈΜΟΥ... 10 1.8 ΘΕΩΡΗΤΙΚΌΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΌΣ ΣΥΧΝΟΤΉΤΩΝ ΚΑΤΑΝΟΜΉΣ ΤΑΧΥΤΉΤΩΝ ΑΝΈΜΟΥ... 11 1.9 ΕΝΈΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΙΣΧΎΣ ΤΟΥ ΑΝΈΜΟΥ... 12 1.10 ΕΚΤΊΜΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΟΎ ΔΥΝΑΜΙΚΟΎ... 13 2 ΣΥΣΤΉΜΑΤΑ ΑΙΟΛΙΚΉΣ ΕΝΈΡΓΕΙΑΣ... 15 2.1 ΤΎΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΏΝ... 15 2.2 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΉΤΡΙΕΣ ΟΡΙΖΟΝΤΊΟΥ ΆΞΟΝΑ... 17 2.3 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΉΤΡΙΕΣ ΚΑΤΑΚΌΡΥΦΟΥ ΆΞΟΝΑ... 18 2.4 ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΉ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΏΝ... 19 2.5 ΑΡΧΉ ΛΕΙΤΟΥΡΓΊΑΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΏΝ... 22 2.6 ΠΑΡΑΓΩΓΉ ΕΝΈΡΓΕΙΑΣ... 26 2.7 ΑΙΟΛΙΚΆ ΠΆΡΚΑ... 28 3 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΆ ΣΤΟΙΧΕΊΑ ΑΙΟΛΙΚΉΣ ΕΝΈΡΓΕΙΑΣ... 33 3.1 ΣΤΟΙΧΕΊΑ ΚΌΣΤΟΥΣ... 33 3.2 ΠΑΡΆΔΕΙΓΜΑ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΉΣ ΑΞΙΟΛΌΓΗΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΟΎ ΠΆΡΚΟΥ... 37 1
Παράρτημα B. Βασικές γνώσεις αιολικής Ενέργειας Περίληψη Το παράρτημα αυτό παρέχει στους σπουδαστές, όλες τις στοιχειώδεις γνώσεις αιολικής ενέργειας. Αποτελείται από τρία κεφάλαια. Το πρώτο παρουσιάζει το δυναμικό της αιολικής ενέργιας, το δεύτερο την τεχνολογία και το τρίτο αφιερώνεται στο κόστος και στην οικονομική αξιολόγηση σχετικών επενδύσεων. Τα χαρακτηριστικά του αιολικού δυναμικού σε συνδυασμό με τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας και την καμπύλη ισχύος της είναι τα στοιχειώδη δεδομένα που πρέπει να είναι διαθέσιμα, ώστε να γίνει η αρχική ενεργειακή εκτίμηση. Η αρχική ενεργειακή εκτίμηση είναι απαραίτητη, ώστε να γίνει η μελέτη σκοπιμότητας μιας επένδυσης. Επιπρόσθετα χρειάζονται τα οικονομικά δεδομένα της επένδυσης (τιμολόγηση, κόστος, χρηματοδοτικό σχήμα, χαρακτηριστικά δανείου κλπ). 2
1 Δυναμικό αιολικής ενέργειας 1.1 Ο άνεμος Είναι γνωστό από την φυσική ότι όταν μια αέρια μάζα θερμανθεί, εκτονώνεται, γίνεται ελαφρύτερη και κινείται προς τα πάνω. Ο αέρας της ατμόσφαιρας θερμαίνεται κυρίως από την επαφή του με τη θερμή επιφάνεια της γης. Ο θερμός αέρας είναι ελαφρύτερος και έχει μικρότερη πυκνότητα από τον ψυχρό. Ένα στρώμα αέρα, που θα έρθει σε επαφή με τη γήινη επιφάνεια θα θερμανθεί και θα ανέλθει. Τη θέση του θα καλύψει ένα στρώμα ψυχρότερου αέρα, που με τη σειρά του θα θερμανθεί και θα ανέλθει. Αυτή η κυκλική ανοδική καθοδική κίνηση θερμών και ψυχρών ρευστών μαζών, ονομάζεται Κατακόρυφη μεταφορά. Σχήμα 2.1. Ιδανική κίνηση του αέρα στην Γη Κατακόρυφη μεταφορά Σχήμα 2.2. Θαλάσσια αύρα 3
Σχήμα 2.3. Αύρα βουνού κοιλάδας Όπως είδαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο ο ισημερινός θερμαίνεται πολύ περισσότερο από τους πόλους. Έτσι λοιπόν οι αέριες μάζες στον Ισημερινό θερμαίνονται, εκτονώνονται και ανέρχονται με αποτέλεσμα να αντικαθίστανται από τις ψυχρές αέριες μάζες των πόλων. Αν η Γη δεν περιστρεφόταν γύρω από τον άξονα της, η κίνηση του αέρα θα ακολουθούσε τη διαδικασία της Κατακόρυφης μεταφοράς και οι αέριες μάζες θα μετακινούνταν από τους Πόλους προς τον Ισημερινό και πάλι πίσω στους Πόλους (σχήμα 2.1). Η ημερήσια περιστροφή της Γης προκαλεί την εκτροπή των ανέμων και περιπλέκει την κυκλοφορία της ατμόσφαιρας. Επιπλέον, η διαφορετική θερμική συμπεριφορά της στεριάς από την θάλασσα, αλλά και η ανομοιομορφία του εδάφους (βουνά, κοιλάδες, κλπ) προκαλούν τοπικά φαινόμενα και ανέμους. Επομένως, οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών πιέσεων που προκαλούνται κυρίως από την άνιση θέρμανση των διαφόρων περιοχών της γης από τον ήλιο. Η ξηρά έχει μικρότερη θερμοχωρητικότητα από την θάλασσα, κι αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να ψύχεται και να θερμαίνεται πιο γρήγορα από την θάλασσα. Έτσι, η ξηρά την ημέρα είναι θερμότερη από τη θάλασσα, με αποτέλεσμα ψυχρότερες αέριες μάζες να μετακινούνται από τη θάλασσα προς την ξηρά για να αντικαταστήσουν τις θερμές μάζες που ανέρχονται και δημιουργούν με τον τρόπο αυτό τη γνωστή θαλάσσια αύρα. Το αντίθετο συμβαίνει κατά τη διάρκεια της νύχτας που η θάλασσα είναι θερμότερη από την ξηρά. Ο αέρας που είναι σε επαφή με τη θάλασσα θερμαίνεται, ανέρχεται και αντικαθίσταται από ψυχρότερο που προέρχεται από την στεριά (σχήμα 2.2). Τα βουνά κατά τη διάρκεια της ημέρας θερμαίνονται γρηγορότερα από τις γειτονικές κοιλάδες. Έτσι ο αέρας που έρχεται σε επαφή με την πλαγιά θερμαίνεται, και θερμαινόμενος ανέρχεται για να αντικατασταθεί από τις ψυχρότερες μάζες της κοιλάδας. Έτσι κατά την διάρκεια της μέρας έχουμε τοπικά άνεμους που πνέουν από την κοιλάδα προς το βουνό. Το αντίθετο θα συμβεί κατά τη διάρκεια της νύχτας (σχήμα 2.3). Επομένως, ο ατμοσφαιρικός αέρας ο οποίος περιβάλλει τη Γη βρίσκεται σε διαρκή κίνηση, εξ αιτίας μιας σειράς παραμέτρων, των οποίων οι πιο σημαντικές είναι: Η ηλιακή ακτινοβολία και ο τρόπος που φτάνει στη Γη Η ανομοιογένεια του ανάγλυφου της Γης (στεριά, θάλασσα, υψομετρικές διαφορές) Η περιστροφική κίνηση της γης 4
Στην Ευρώπη (σχήμα 2.4) οι άνεμοι επηρεάζονται από τα ανατολικά ρεύματα του Ατλαντικού, τα ψυχρά βόρεια και τα θερμά τοπικά της Σαχάρας. Έτσι οι επικρατούντες άνεμοι είναι για μεν το χειμώνα οι Νοτιοδυτικοί, ενώ για το καλοκαίρι οι Δυτικοί και Βορειοδυτικοί άνεμοι. Σχήμα 2.4. Κύριες κατευθύνσεις του ανέμου στην Ευρώπη [2] 1.2 Το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα Καθώς η ατμόσφαιρα βρίσκεται σε σχετική κίνηση με τη Γη, στο κατώτατο τμήμα της λόγω του ιξώδους του αέρα δημιουργείται ένα στρώμα αέρα, το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα, μέσα στο οποίο η σχετική ταχύτητα μεταβάλλεται από μηδέν πάνω στην επιφάνεια της Γης, μέχρι μεγαλύτερες τιμές (σχήμα 2.5). Τα χαρακτηριστικά του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος, καθορίζονται κυρίως από την μορφή της επιφάνειας της Γης (τραχύτητα εδάφους), αλλά και από τον άνεμο και την κατάσταση της ατμόσφαιρας. Για ομαλό έδαφος και αδύναμο άνεμο το πάχος του οριακού στρώματος μπορεί να είναι της τάξης των 200 μέτρων, ενώ για ανώμαλη επιφάνεια (μεγάλη τραχύτητα) και έντονο άνεμο είναι δυνατό να φθάσει μέχρι 2000 μέτρα. Αυτό πρέπει να το έχουμε υπ όψη μας όταν δίνεται η μέση ταχύτητα του ανέμου σε μια περιοχή ή αν έχουμε διαθέσιμες μετρήσεις του ανέμου. Αυτά τα δεδομένα, πρέπει να συνοδεύονται από το ύψος στο οποίο αναφέρονται, ώστε να μπορούμε να τα ανάγουμε στο ύψος που μας ενδιαφέρει. Στρώμα Ekman Ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα Επιφανειακό στρώμα Σχήμα 2.6. Ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα [2] 5
1.3 Μεταβολή ταχύτητας ανέμου με το ύψος Οι εκφράσεις που χρησιμοποιούμε σήμερα για να υπολογίσουμε την διανομή της ταχύτητας μέσα στο επιφανειακό στρώμα είναι: U * z U(z) ln λογαριθμικός νόμος k z0 U(z) z U(z0 ) z 0 α εκθετικός νόμος όπου U(z) η ταχύτητα του ανέμου σε ύψος z, U * η ταχύτητα τριβής, α ο εκθέτης του εκθετικού νόμου, k η σταθερά von Karman (k=0.35) και z 0 η παράμετρος τραχύτητας ή μήκος τραχύτητας. Συνήθως στα μετεωρολογικά προβλήματα χρησιμοποιείται ο εκθετικός νόμος λόγω της απλότητας του. Ο εκθέτης α αποτελεί μια ένδειξη της μορφής της επιφάνειας του εδάφους. Υπάρχουν πίνακες που δίνουν τιμές για τον εκθέτη α και βασίζονται σε πειραματικές προσεγγίσεις. τοπογραφία z 0 Πόλη 1.0 Δάση 0.8 Προάστια 0.5 Αγρόκτημα 0.05 Αεροδρόμιο 0.017 Επίπεδο 0.005 έδαφος Χιόνι 0.001 Άμμος 0.0003 Θάλασσα 0.0001 Πίνακας 2.1. Ύψος τραχύτητας z 0 για διάφορες μορφές επιφάνειας εδάφους. Ενδεικτικές τιμές για το εκθέτη α είναι α=0.17 για ανοικτά πεδία, όπως είναι η θάλασσα ή ο χώρος ενός αεροδρομίου, α=0.20 για μικρές πόλεις με χαμηλές κατασκευές και α=0.25 για πόλεις με μεγάλες και πολυώροφες κατασκευές. 1.4 Μεταβολή ταχύτητας ανέμου σε σύνθετη τοπογραφία Σε μια σύνθετη τοπογραφία, η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να μεταβάλλεται σημαντικά μεταξύ κοντινών περιοχών. Αυτή η διαφοροποίηση έχει δύο όψεις. Από τη μια προσφέρει τη δυνατότητα να μεγιστοποιήσουμε την απόδοση μιας μηχανής ή ενός αιολικού πάρκου, από την άλλη κινδυνεύουμε να οδηγηθεί σε αποτυχία όλη η επένδυση αν δεν γίνει προσεκτική επιλογή της θέσης. 6
Σχήμα 2.7. Σύνθετη τοπογραφία [2] Ο θεωρητικός υπολογισμός των επιδράσεων της ανώμαλης τοπογραφίας στην ταχύτητα του ανέμου μπορεί να γίνει πολύ δύσκολα και μόνο με την χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών (σχήμα 2.7). Έχουν δημιουργηθεί διάφορα μοντέλα πρόλεξης που επιχειρούν να λύσουν αυτό το πρόβλημα. Τα αποτελέσματα είναι αποδεκτά για περιπτώσεις τοπογραφίας με μικρές κλίσεις, ενώ για απότομες κλίσεις δεν υπάρχει αξιόπιστο μοντέλο. Παρά την δυσκολία που υπάρχει στον υπολογισμό του ανέμου σε ανώμαλη τοπογραφία, σε απλούστερες περιπτώσεις υπάρχουν εμπειρικοί κανόνες που μπορούν να εφαρμοστούν και να δώσουν ποιοτικές και ποσοτικές εκτιμήσεις. Εξετάζοντας μια λοφοσειρά (2.8), ο άνεμος που τη συναντάει, επιταχύνεται στην κορυφή και επιβραδύνεται στους πρόποδες. Έστω Η το ύψος του λόφου και 2L το πλάτος του λόφου σε ύψος Η/2. Υπάρχει ένα ύψος l πάνω από την κορυφή, όπου η σχετική επιτάχυνση, ΔS γίνεται μέγιστη: l 0.3 z 0 ΔS l 2 l L L z 0 0.67 όπου l το ύψος πάνω από την κορυφή του λόφου, ενώ z 0 είναι το ύψος τραχύτητας που εξαρτάται από τη μορφή της επιφάνειας του εδάφους. Σχήμα 2.8. Επιτάχυνση ανέμου σε λοφοσειρά. [2] 7
Το προφίλ της ταχύτητας αποτελείται από τρία μέρη: Ανάμεσα στο επίπεδο της γης και το ύψος l το προφίλ είναι λογαριθμικό, ανάμεσα στο ύψος l και 2L ένα διαφοροποιημένο λογαριθμικό προφίλ, ενώ από το ύψος 2L και πάνω το προφίλ του ανέμου παραμένει αμετάβλητο, ΔS=0 (ίδιο με το προφίλ πριν από τον λόφο). h 2 L h ln(h/2l) ΔS 2 L ln(l/2l) 0 για h l για l h 2L για 2L h όπου h το ύψος πάνω από την κορυφή του λόφου. Οι παραπάνω σχέσεις μπορούν να δώσουν ικανοποιητικά αποτελέσματα όταν η κάθετη στην κατεύθυνση του ανέμου διάσταση του λόφου είναι πολύ μεγαλύτερη από 2L και το πρόβλημα μπορεί να αντιμετωπισθεί ως διδιάστατο. Στην πραγματικότητα, η επιτάχυνση της ροής είναι μικρότερη, καθώς η ροή του ανέμου τείνει να κινηθεί γύρω από τον λόφο. 1.5 Μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου με το χρόνο Η ταχύτητα του ανέμου σε μια ορισμένη θέση στο χώρο δεν παραμένει σταθερή στο χρόνο, αλλά μεταβάλλεται κατά μέγεθος και διεύθυνση. Σημαντικά μεγέθη, αναφορικά με τα ανεμολογικά δεδομένα είναι η μέση ταχύτητα ανέμου, η τυπική απόκλιση και ο βαθμός της τύρβης. Η μέση ταχύτητα του ανέμου υπολογίζεται δεδομένης μιας σειράς μετρήσεων από την σχέση: v 1 N N 1 v n όπου v η μέση ταχύτητα ανέμου, v n η ταχύτητα του ανέμου στο n σημείο των μετρήσεων και n=1,2,,n ο αριθμός των μετρήσεων. Στο σχήμα 2.9 παρουσιάζεται η διακύμανση της μέσης μηνιαίας ταχύτητας ανέμου κατά την διάρκεια 2 ετών από μετρήσεις που έγιναν στο νομό Λασιθίου στην Κρήτη, ενώ στο Σχήμα 2.10 παρουσιάζεται η διακύμανση της μέσης ωριαίας ταχύτητας ανέμου κατά την διάρκεια της ημέρας για δύο διαφορετικούς μήνες και ενός έτους από μετρήσεις που έγιναν στην Λέσβο. μέση μηνιαία ταχύτητα ανέμου (m/s) 14 12 10 8 6 4 2 0 Ιαν Φεβρ Μαρτ Απρ Μαϊος Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπτ Οκτ Νοεμ Δεκ Ιαν Φεβρ Μαρτ Απρ Μαϊος Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπτ Οκτ Νοεμ Δεκ 8
Σχήμα 2.9. Διακύμανση μέσης μηνιαίας ταχύτητας ανέμου στην Κρήτη (2002 2003) m/s 12 10 8 6 Οκτ-03 2003 Μαϊ-03 4 2 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Σχήμα 2.10. Διακύμανση μέσης ωριαίας ταχύτητας ανέμου κατά την διάρκεια της ημέρας στην Λέσβο. Η τυπική απόκλιση σ δείχνει πόσο οι μετρήσεις αποκλίνουν από τη μέση τιμή του ανέμου: σ 1 Ν 1 Ν 1 v n v 2 Με τον όρο τύρβη ονομάζουμε τη διαταραχή της ταχύτητας του ανέμου (διαφορές στιγμιαίας ταχύτητας από τη μέση τιμή ταχύτητας) και έχει ιδιαίτερη σημασία για την απόδοση των αιολικών μηχανών, αλλά και τον υπολογισμό της αντοχής λόγω των εναλλασσόμενων φορτίων που αναπτύσσονται και που οδηγούν στην κόπωση των υλικών της μηχανής. Ο βαθμός της τύρβης S (αδιάστατη τιμή της έντασης της τύρβης) ορίζεται ως η τυπική απόκλιση της πρώτης μέτρησης από τη μέση τιμή των 10 λεπτών: σ S v Η διάρκεια πνοής του ανέμου σε μια περιοχή είναι απαραίτητο στοιχείο για τον υπολογισμό της παραγόμενης ενέργειας μιας μηχανής. Η καμπύλη διάρκειας πνοής του ανέμου (σχήμα 2.11) εκφράζει το ποσοστό του χρόνου (π.χ. τις ώρες του έτους από τις 8760) για τις οποίες πνέει άνεμος ταχύτητας μεγαλύτερης μιας συγκεκριμένης τιμής. Η καμπύλη πυκνότητας πιθανότητας ταχύτητας P(V) αποτελεί μια άλλη καμπύλη (σχήμα 2.12) ισοδύναμη με την καμπύλη διάρκειας πνοής του ανέμου και εκφράζει την πυκνότητα πιθανότητας ο άνεμος να έχει ταχύτητα μεταξύ δύο τιμών. Οι δύο καμπύλες παρουσιάζουν την ίδια πληροφορία με διαφορετικό τρόπο. Η καμπύλη πυκνότητας πιθανότητας μπορεί να προκύψει με παραγώγιση της καμπύλης διάρκειας πνοής του ανέμου. Το εμβαδόν της επιφάνειας που ορίζεται κάτω από τις καμπύλες διάρκειας πνοής ανέμου και πυκνότητας πιθανότητας είναι ίσο με τη μονάδα ή 8760 ώρες, δηλαδή το 100% του έτους. 9
χρόνος σε ποσοστό % του έτους 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 3 6 9 12151821 ταχύτητα ανέμου (m/sec) Σχήμα 2.11. Καμπύλη διάρκειας πνοής ανέμου Αριθμός ωρών ετησίως (hours) 1200 1000 800 600 400 200 0 0 3 6 9 12 15 18 21 Ταχύτητα ανέμου (m/sec) Σχήμα 2.12. Πυκνότητα πιθανότητας ταχύτητας 1.6 Μετρήσεις αιολικού δυναμικού Οι μετρήσεις του αιολικού δυναμικού πραγματοποιούνται με τα ανεμόμετρα, τα οποία καταγράφουν την ταχύτητα του ανέμου και την κατεύθυνση του, μετατρέποντας την κινητική ενέργεια του αέρα, σε μηχανική ροπή που στρέφει έναν άξονα συνδεδεμένο με τη μετρητική συσκευή. Υπάρχουν άλλες διατάξεις όπως τα Ανεμόμετρα Sonic, laser Doppler και άλλα που μετράνε την θερμική ενέργεια που μεταφέρεται από τον αέρα, σε ένα ηλεκτρισμένο καλώδιο εκτεθειμένο στον άνεμο. Στην πράξη για εφαρμογές αιολικής ενέργειας, οι μηχανικές διατάξεις είναι οι πιο διαδεδομένες λόγω της απλότητας της κατασκευής τους καθώς και την μικρή κατανάλωση ενέργειας κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε απομονωμένους μετρητικούς σταθμούς. Οι πιο συνηθισμένες μονάδες μέτρησης είναι: μέτρα ανά δευτερόλεπτο (m/sec), χιλιόμετρα ανά ώρα (km/hour), ναυτικά μίλια ανά ώρα (mph) γνωστά και ως knots (1mph=1knot= =0,51m/s=1,836km/h). Οι μετρήσεις αιολικού δυναμικού, συνήθως γίνονται ανά 10 λεπτά, αλλά και η χρήση ανεμολογικών δεδομένων σε ωριαία βάση είναι επίσης αποδεκτή. 1.7 Ρόδο ανέμου 10
Μια σημαντική πληροφορία που δεν φαίνεται στις κατανομές ταχύτητας που περιγράψαμε πιο πάνω είναι η συχνότητα εμφάνισης κάθε κατεύθυνσης. Ο πίνακας διπλής εισόδου συχνότητας πνοής ανέμου ανά διεύθυνση μπορεί να παρασταθεί γραφικά με το ροδόγραμμα ανέμου (Σχήμα 2.13). Το ροδόγραμμα ανέμου μιας περιοχής είναι ένα αρκετά εποπτικό διάγραμμα που δίνει αμέσως την κατεύθυνση ανέμου που επικρατεί στην περιοχή και τη διάρκεια πνοής ανέμου από κάθε κατεύθυνση. Στο κέντρο εμφανίζεται το ποσοστό της άπνοιας ετησίως. Σχήμα 2.13. Ροδόγραμμα ανέμου.[2] Για να φτιάξει κανείς το ρόδο ανέμου μιας περιοχής είναι απαραίτητο να κάνει μετρήσεις. Οι μετρήσεις πρέπει να έχουν μεγάλη χρονική διάρκεια (τουλάχιστον 10 χρόνια) για να θεωρούνται αξιόπιστες. Οι μετρήσεις πρέπει να είναι αξιόπιστες, διότι μικρή απόκλιση στην εκτίμηση του αιολικού δυναμικού, προκαλεί μεγάλη απόκλιση στην εκτίμηση της παραγόμενης ενέργειας (η ισχύς είναι ανάλογη του κύβου της ταχύτητας). 1.8 Θεωρητικός υπολογισμός συχνοτήτων κατανομής ταχυτήτων ανέμου Η εμπειρία από μετρήσεις αιολικού δυναμικού έχει δείξει ότι η πυκνότητα πιθανότητας κατανομής ταχύτητας μπορεί να περιγραφεί αναλυτικά με πολύ καλή προσέγγιση από την κατανομή Weibull. Η κατανομή Weibull είναι μια διπαραμετρική κατανομή πυκνότητας πιθανότητας με παραμέτρους c και k και ορίζεται ως: k f(v) c V c k1 V exp c όπου V η ταχύτητα του ανέμου. k Η παράμετρος k καθορίζει το ύψος της κατανομής Weibull, ενώ η παράμετρος c επηρεάζει την κατανομή κατά τον οριζόντιο άξονα (σχήμα 2.14). 11
Σχήμα 2.14. Κατανομή Weibull Η μέση ταχύτητα του ανέμου μπορεί να υπολογιστεί όταν δίνονται οι παράμεροι c και k της κατανομής Weibull από την σχέση: V V0 V f(v)dv οπότε εκτέλεση πράξεων οδηγεί στη σχέση: 1 V c Γ 1 k όπου Γ η συνάρτηση Γάμα. Η διάρκεια πνοής ανέμου δίνεται από την σχέση: P V x V V f x 0 V V dv 1 exp c x k και εκφράζει την πιθανότητα να φυσάει άνεμος ταχύτητας μικρότερης της V x ή αλλιώς το ποσοστό του χρόνου που φυσάει άνεμος ταχύτητας μικρότερης της V x. Οι παράμετροι κλίμακας ταχύτητας c και μορφής k της κατανομής Weibull είναι δυνατόν να υπολογιστούν αν υπάρχουν μετεωρολογικές μετρήσεις στην περιοχή, προσαρμόζοντας με ελάχιστα τετράγωνα την αναλυτική σχέση στα πειραματικά δεδομένα. 1.9 Ενέργεια και Ισχύς του ανέμου Είναι γνωστό ότι η ισχύς ορίζεται ως ο ρυθμός χρήσης ή μετατροπής της ενέργειας και άρα εκφράζεται ως ενέργεια ανά μονάδα χρόνου (1Watt=1Joule/sec). Η ενέργεια που μεταφέρεται από τον άνεμο είναι κινητική και ορίζεται ως: E KINHTIKH και έχει μονάδες 1 2 m V 2 kg m 2 s 2 N m Μπορούμε να συνειδητοποιήσουμε την κινητική ενέργεια του ανέμου, αν αναλογιστούμε μια ροή ανέμου που διέρχεται δια μέσου ενός κυλινδρικού σωλήνα επιφάνειας Α ας πούμε 100m 2, με 12
ταχύτητα V έστω 10m/sec. Καθώς ο αέρας κινείται με ταχύτητα 10m/sec, ένας κυλινδρικός όγκος αέρα μήκους 10m διέρχεται κάθε δευτερόλεπτο από ένα δεδομένο δαχτυλίδι του σωλήνα. Εισάγοντας την πυκνότητα του αέρα (ρ=1.23kg/m 3 ), υπολογίζουμε τη μάζα του άερα που διέρχεται από το δαχτυλίδι κάθε δευτερόλεπτο: (μάζα m άερα ανά δευτερόλεπτο)=(πυκνότητα αέρα)*(όγκος αέρα ανά δευτερόλεπτο) δηλαδή m ρ Α V όπου με m συμβολίζουμε την μάζα του αέρα που διέρχεται από μια επιφάνεια Α ανά δευτερόλεπτο. Αντικαθιστώντας τη μάζα προκύπτει η κινητική ενέργεια ανά δευτερόλεπτο: E KINHTIKH 1 ρα V 2 3 Όμως, η ισχύς ορίζεται ως ενέργεια ανά δευτερόλεπτο, άρα 1 3 P ρα V 2 Παρατηρούμε από την παραπάνω σχέση ότι η ισχύς του ανέμου είναι ανάλογη της επιφάνειας μέσω της οποίας διέρχεται ο άνεμος και ανάλογη του κύβου της ταχύτητας. Να σημειωθεί ότι αυτή είναι η ισχύς που μεταφέρει ο άνεμος και σε καμία περίπτωση δεν είναι η ισχύς που δεσμεύει ή παράγει η ανεμογεννήτρια. Αυτό συμβαίνει λόγω σημαντικών απωλειών που λαμβάνουν χώρα κατά την διαδικασία δέσμευσης ενέργειας. 1.10 Εκτίμηση αιολικού δυναμικού Κατηγορία δυναμικού Ενέργεια Exajoules Θεωρητικό Δυναμικό 6.000 Διαθέσιμο δυναμικό 640 Τεχνικά αξιοποιήσιμο δυναμικό 200 Πίνακας 2.2. Εκτίμηση αιολικού δυναμικού παγκοσμίως. 13
Σχήμα 2.15. Αιολικός χάρτης της Δ. Ευρώπης στα 50 μέτρα από το έδαφος 14
2 Συστήματα Αιολικής Ενέργειας 2.1 Τύποι Ανεμογεννητριών Η ποικιλία των μηχανών που επινοήθηκαν και προτάθηκαν για να δεσμεύσουν την αιολική ενέργεια είναι σημαντική και περιλαμβάνει πρωτότυπες επινοήσεις. Διάφορα είδη μηχανών οριζοντίου και κατακόρυφου άξονα έχουν προταθεί κατά καιρούς (σχήμα 3.1 και 3.2). Σχήμα 3.1. Τύποι ανεμογεννητριών Οριζοντίου άξονα. [3] Σχήμα 3.2. Τύποι ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα. [3] 15
Οι σύγχρονοι ανεμόμυλοι ονομάζονται ανεμογεννήτριες και διακρίνονται σε δύο κύριες κατηγορίες της μηχανές οριζοντίου και κατακόρυφου άξονα. Η πλειοψηφία των σύγχρονων μηχανών μετατρέπουν την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική. Τα μεγέθη τους ποικίλουν από μηχανές που παράγουν μερικές δεκάδες ή εκατοντάδες Watt και φτάνουν τα μερικά MW. Χαρακτηριστική είναι η διαφορά που υπάρχει στην αρχή λειτουργίας των παραδοσιακών ανεμόμυλων, με τις σύγχρονες ανεμογεννήτριες. Οι παραδοσιακοί ανεμόμυλοι κινούνται είτε με τη βοήθεια της αντίστασης των πτερυγίων τους στον άνεμο, είτε με (κακή) εκμετάλλευση της άνωσης που ασκείται πάνω τους. Στις σύγχρονες ανεμογεννήτριες η κίνηση οφείλεται στην άνωση, η οποία αξίζει να σημειωθεί ότι μπορεί να γίνει υπερδεκαπλάσια της αντίστασης. Στις μέρες μας ο πιο γνωστός τύπος ανεμοκινητήρα, που έχει εφαρμοσθεί ευρύτατα στην πράξη είναι δρομέα οριζοντίου άξονα. Ο βαθμός απόδοσης C P χαρακτηρίζει τους ανεμοκινητήρες και ονομάζεται και συντελεστής ισχύος. Ορίζεται ως: C P P 1 ρ V 2 3 A όπου P η ισχύς που αποδίδεται από την ανεμογεννήτρια, και στον παρανομαστή είναι η ισχύς που έχει ο άνεμος ταχύτητας V και περνάει από επιφάνεια A (ρ: η πυκνότητα του ανέμου). Αυτό που είναι σημαντικό και φαίνεται στην τελευταία σχέση είναι ότι η ισχύς του ανέμου ανά τετραγωνικό μέτρο μετωπικής επιφάνειας της ανεμογεννήτριας είναι ανάλογη του κύβου της ταχύτητας του ανέμου. Ο συντελεστής ισχύος C P εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μηχανής και είναι συνάρτηση της αδιάστατης ταχύτητας ακροπτερυγίου λ: ω R λ V όπου ω η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα και R η ακτίνα του. Η αδιάστατη ταχύτητα ακροπτερυγίου καλείται και κατάσταση λειτουργίας του δρομέα. 16
Σχήμα 3.3. Συντελεστής ισχύος για διάφορα είδη ανεμογεννητριών. [2] Στο σχήμα 3.3. δίνονται τυπικές καμπύλες του συντελεστή ισχύος για διάφορα είδη μηχανών. Φαίνεται καθαρά ότι οι σύγχρονες μηχανές υπερέχουν των παραδοσιακών, διότι παρουσιάζουν μεγαλύτερους συντελεστές ισχύος και μάλιστα σε μεγάλες τιμές καταστάσεως λειτουργίας (μεγάλη περιφερειακή ταχύτητα δρομέα). 2.2 Ανεμογεννήτριες Οριζοντίου άξονα Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα αποτελούνται στην συντριπτική τους πλειοψηφία από τρία ή δύο πτερύγια και θυμίζουν έντονα έλικα αεροπλάνου ή ελικοπτέρου. Ανεμογεννήτριες με μεγαλύτερο αριθμό πτερυγίων εμφανίζονται ως πολύ στιβαρές κατασκευές, και βρίσκουν εφαρμογές σε ειδικές συνθήκες για άντληση νερού σε αγροκτήματα (σχήμα 3.4.). Σχήμα 3.4. Ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα (πολύπτερη, τρίπτερη, δίπτερη, μονόπτερη). [3] Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες έχουν μοντέρνα αεροδυναμική σχεδίαση, που οφείλεται στην πρόοδο που έχει επιτευχθεί τις τελευταίες δεκαετίες στο σχεδιασμό των αεροπορικών πτερυγίων και ελίκων. Οι μηχανές που έχουν την μεγαλύτερη εμπορική επιτυχία είναι τρίπτερες ή δίπτερες μεγέθους περίπου μέχρι 1MW, και κατασκευάζονται στην Δανία, τις ΗΠΑ, την Αγγλία, την Ολλανδία, τη Γερμανία, την Ιταλία, την Ισπανία, το Βέλγιο, την Ιαπωνία, την Αυστρία και την Κίνα. Μονόπτερες μηχανές παράγονται κυρίως στην Γερμανία και την Ιταλία. Παρά την ασυνήθιστη εμφάνιση τους, οι ένθερμοι υποστηρικτές τους πιστεύουν ότι η εξέλιξη τους μπορεί να δώσει φθηνότερες, ελαφρύτερες και με μικρότερες καταπονήσεις μηχανές. Χαρακτηριστικά ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα Τα κύρια μέρη των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα (σχήμα 3.5) είναι ο δρομέας, το σύστημα αύξησης στροφών (κιβώτιο ταχυτήτων), το σύστημα πέδησης, τα έδρανα του άξονα και οι ελαστικοί σύνδεσμοι, η ηλεκτρική γεννήτρια, το σύστημα προσανατολισμού, ο πύργος στήριξης και τα θεμέλια. Ο δρομέας είναι ίσως το πιο βασικό ζήτημα στη σχεδίαση του όλου συστήματος. Αποτελείται από την πλήμνη και τα πτερύγια. Το πτερύγιο έχει αεροδυναμικό σχήμα και μπορεί να είναι ενιαίο ή να διαθέτει ακροπτερύγιο. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των πτερυγίων (αριθμός πτερυγίων, κατανομή πλάτους, επιλογή αεροτομής, συστροφή) προκύπτουν από την βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής σχεδίασης. 17
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. 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. Πτέρυγα Δισκόφρενο Κυβώτιο ταχυτήτων Ελαστικός Σύνδεσμος Γεννήτρια Βάση Υδραυλική μονάδα Μονάδα ελέγχου Πλήμνη Κύρια άτρακτος Δόκος στήριξης Σύστημα ελέγχου προσανατολισμού Οδοντώσεις συστήματος προσανατολισμού Σχήμα 3.5. Κύρια μέρη ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα [3] 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. 2.3 Ανεμογεννήτριες Κατακόρυφου άξονα Οι Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα δεν έχουν γνωρίσει την εμπορική ανάπτυξη που έχουν οι οριζοντίου άξονα. Εντούτοις, έχουν κάποια βασικά πλεονεκτήματα: Η κατακόρυφη συμμετρία συνεπάγεται αυτόματο προσανατολισμό του δρομέα προς τον άνεμο, Το μηχανικό έργο μεταφέρεται μέσω του κατακόρυφου άξονα στο έδαφος όπου είναι τοποθετημένο το σύστημα μετατροπής σε άλλη μορφή ενέργειας. Απλή κατασκευή του πύργου στήριξης και γενικότερα απλούστερη κατασκευή. Οι μηχανές κατακόρυφου άξονα (σχήμα 3.6.) στηρίζονται στις ιδέες του Georges Darrieus και τις επινοήσεις του γύρω στο 1925. 18
Σχήμα 3.6. Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα (Δίπτερη τύπου Darrieus, τύπου H, τύπου V ) [3] 2.4 Αεροδυναμική Ανεμογεννητριών Δυνάμεις Για να κατανοήσουμε τη λειτουργία των σύγχρονων ανεμογεννητριών, θα εισάγουμε τους όρους της άνωσης και της αντίστασης από την Αεροδυναμική. Γενικά, σε ένα αντικείμενο που βρίσκεται μέσα σε ένα ρεύμα αέρα ασκείται μια δύναμη F. Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι αυτή η δύναμη είναι η συνισταμένη της άνωσης L και της αντίστασης D (σχήμα 3.7.). Η άνωση και η αντίσταση είναι κάθετες μεταξύ τους και το μέγεθος τους εξαρτάται από το σχήμα του αντικειμένου, τον προσανατολισμό του μέσα στη ροή του ανέμου και την ταχύτητα της ροής. Η αντίσταση είναι η δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο από την ροή του αέρα και έχει την κατεύθυνση της ροής. Για παράδειγμα, σε ένα πιάτο ασκείται μέγιστη αντίσταση όταν η κατεύθυνση της ροής είναι κάθετη στην επίπεδη πλευρά του πιάτου, ενώ όταν η ροή του ανέμου γίνει παράλληλη με το πιάτο, η αντίσταση ελαχιστοποιείται. Δεν είναι λίγες οι ανθρώπινες επινοήσεις που σχεδιάστηκαν για να αξιοποιούν την αντίσταση. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το αλεξίπτωτο, το οποίο εκμεταλλεύεται την αντίσταση για να επιβραδύνει την πτώση ενός αλεξιπτωτιστή. Σχήμα 3.7. Μεγιστοποίηση της άνωσης σε αεροδυναμικά σώματα. [3] 19
Άνωση είναι η δύναμη που ασκείται στο αντικείμενο από τον άνεμο και έχει κατεύθυνση κάθετη στην ροή του ανέμου. Η άνωση είναι μικρή για μηδενική γωνία πρόσπτωσης. Αντιθέτως, γίνεται μέγιστη για μικρές γωνίες πρόσπτωσης, καθώς δημιουργείται μια περιοχή υποπίεσης στην πίσω (υπήνεμη) πλευρά του σώματος, ως αποτέλεσμα της επιτάχυνσης της ροής (σχήμα 3.8.). Υπάρχει άμεση συσχέτιση της ταχύτητας και της πίεσης, η οποία περιγράφεται από την εξίσωση Bernoulli: 1 P ρ U 2 2 const Η εξίσωση του Bernoulli δηλώνει ότι το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας μιας ροής παραμένει σταθερό με την προϋπόθεση αυτή να είναι μη συνεκτική (δηλαδή ροή χωρίς απώλειες λόγω τριβής). Η άνωση αξιοποιείται στις σύγχρονες προπέλες των σκαφών, στα ελικόπτερα, στα αεροσκάφη και στις ανεμογεννήτριες. Αεροτομές Υπάρχουν συμμετρικές και μη συμμετρικές αεροτομές (σχήμα 3.8.). Σε κάθε αεροτομή μπορούμε να διακρίνουμε την κυρτή άνω επιφάνεια, την στρογγυλεμένη πρόσοψη που ονομάζεται μέτωπο προσβολής και την οξεία ακμή με κοινή εφαπτομένη των δύο όψεων της αεροτομής που ονομάζεται ακμή φυγής. Οι μη συμμετρικές αεροτομές εμφανίζουν μεγαλύτερη άνωση όταν η κάτω πλευρά της αεροτομής είναι πιο κοντά στην διεύθυνση της ροής του ανέμου. Από την άλλη, οι συμμετρικές αεροτομές μπορούν να παρουσιάζουν εξίσου καλή άνωση (αλλά με αντίθετη φορά) όταν ο άνεμος έρχεται από την πάνω ή την κάτω πλευρά. Τα αεροσκάφη έχουν πτερύγια με συμμετρικές αεροτομές, που τους επιτρέπουν να κινούνται είτε ανοδικά, είτε καθοδικά. Εξ ορισμού θεωρούμε θετικές τις γωνίες πρόσπτωσης της ροής που προσπίπτει στην κάτω πλευρά της αεροτομής. Σχήμα 3.8. Αεροτομές [3] Η γωνία που σχηματίζει ένα αντικείμενο με την διεύθυνση του ανέμου, ορίζεται σε σχέση με μια γραμμή αναφοράς μέσα στο αντικείμενο, και ονομάζεται γωνία πρόσπτωσης. Στις αεροτομές η γραμμή αναφοράς είναι η χορδή της αεροτομής. (χορδή είναι η γραμμή που διέρχεται από το μέτωπο προσβολής και την ακμή φυγής). Αλλάζοντας την γωνία πρόσπτωσης σε μια αεροτομή, επιτυγχάνουμε μεγιστοποίηση της άνωσης για δεδομένη γωνία πρόσπτωσης. Αν θεωρήσουμε την τομή ενός πτερυγίου και παρατηρήσουμε την ροή γύρω από αυτό, παρατηρούμε επιτάχυνση της ροής στην πάνω πλευρά του πτερυγίου. Η 20
επιτάχυνση της ροής είναι το αποτέλεσμα της μείωσης της πίεσης στην άνω πλευρά σε σχέση με την κάτω. Τα χαρακτηριστικά διάφορων αεροδυναμικών αντικειμένων (άνωση, αντίσταση) για διάφορες γωνίες έχουν υπολογιστεί μέσω μετρήσεων για διάφορες γωνίες πρόσπτωσης σε αεροδυναμικές σήραγγες. Οι δυνάμεις άνωσης και αντίστασης μπορούν να περιγραφούν μέσω των αδιάστατων συντελεστών άνωσης και αντίστασης (C L και C D ) ή του λόγου C L /C D (σχήμα 3.9.). Σχήμα 3.9. Συντελεστές άνωσης και αντίστασης συναρτήσει της γωνίας πρόσπτωσης. [3] Γενικά, η άνωση και η αντίσταση εξαρτώνται από την γωνία πρόσπτωσης, την ταχύτητα της ροής, την πυκνότητα του ρευστού και τη συνεκτικότητα της ροής. Ο συντελεστής αντίστασης μιας αεροτομής δίνεται από την παρακάτω εξίσωση: C D D 0.5ρ V 2 A b όπου D είναι η δύναμη αντίστασης σε Newtons, ρ είναι η πυκνότητα του ανέμου σε kgr ανά m 3, V είναι η ταχύτητα πρόσπτωσης του ανέμου στην αεροτομή σε m/sec, και A b είναι η επιφάνεια του πτερυγίου (χορδή επί πλάτος) σε m 2. Αντίστοιχα, ο συντελεστής άνωσης C L είναι: C L L 0.5 ρ V 2 A b όπου L η άνωση σε Newtons. Κάθε αεροτομή παρουσιάζει μέγιστο λόγο C L /C D για συγκεκριμένη γωνία πρόσπτωσης. Μια άλλη χαρακτηριστική γωνία για κάθε αεροτομή είναι η γωνία για την οποία εμφανίζεται αποκόλληση της ροής (σχήμα 3.10.). Αποκόλληση της ροής συμβαίνει στις αεροτομές για μεγάλες γωνίες 21
πρόσπτωσης και έχει ως αποτέλεσμα την δραματική μείωση της άνωσης με ταυτόχρονη αύξηση της αντίστασης. Αυτό είναι ένα επικίνδυνο φαινόμενο που μπορεί να συμβεί στα αεροσκάφη. Σχήμα 3.10. Αποκόλληση της ροής σε ροή γύρω από αεροτομή. [3] Σχετική ταχύτητα ανέμου Όταν μια ανεμογεννήτρια είναι ακίνητη, η ταχύτητα που βλέπει το πτερύγιο είναι σταθερή. Όταν το πτερύγιο περιστρέφεται έχει ιδία ταχύτητα, το διάνυσμα της οποίας μπορεί να παρασταθεί με ένα βέλος, του οποίου το μήκος είναι ανάλογο του μεγέθους της ταχύτητας και η θέση δηλώνει την κατεύθυνση της. Η ταχύτητα του ανέμου που βλέπει ένας παρατηρητής που βρίσκεται πάνω στο στρεφόμενο πτερύγιο είναι γνωστή ως σχετική ταχύτητα ανέμου και συνήθως συμβολίζεται με W. Η σχετική ταχύτητα είναι η συνιστώσα της αδιατάρακτης ταχύτητας ανέμου V 0 και της εφαπτομενικής ταχύτητας U στο συγκεκριμένο σημείο του πτερυγίου. Να σημειωθεί η διαφοροποίηση της εφαπτομενικής ταχύτητας που μετριέται σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο (m/sec) με την γωνιακή ταχύτητα που μετριέται σε ακτίνια ανά δευτερόλεπτο (rad/sec). 2.5 Αρχή λειτουργίας ανεμογεννητριών Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου και κατακορύφου άξονα κάνουν χρήση των δυνάμεων που αναπτύσσονται στις αεροτομές για να πετύχουν την παραγωγή ισχύος από τον άνεμο. Ωστόσο υπάρχουν σημαντικές διαφορές στην αρχή λειτουργίας τους. Στις ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα, ο άξονας περιστροφής της πτερωτής βρίσκεται σε συνεχή ευθυγράμμιση με την κατεύθυνση του ανέμου. Για δεδομένη ταχύτητα ανέμου και δεδομένη ταχύτητα περιστροφής, η γωνία πρόσπτωσης σε δεδομένη θέση του πτερυγίου, παραμένει σταθερή σε όλο τον κύκλο περιστροφής. Στις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα για ίδιες συνθήκες, η γωνία πρόσπτωσης σε δεδομένο σημείο του πτερυγίου συνεχώς μεταβάλλεται σε όλη τη διάρκεια του κύκλου περιστροφής. Στις ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα η γωνία πρόσπτωσης του σχετικού ανέμου στις αεροτομές παραμένει θετική. Στις κατακόρυφου άξονα έχουμε εναλλαγή των γωνιών από θετικές σε αρνητικές και πάλι θετικές μέσα σε ένα κύκλο περιστροφής. Αυτό σημαίνει ότι η πλευρά υποπίεσης του πτερυγίου αλλάζει, και άρα συμμετρικές αεροτομές χρησιμοποιούνται σε αυτές τις εφαρμογές για να εξασφαλίσουν δυνάμεις άνωσης ανεξάρτητα αν η γωνία πρόσπτωσης είναι θετική ή αρνητική. Ανεμογεννήτριες Οριζοντίου άξονα Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα προσανατολίζονται στην κατεύθυνση του ανέμου, γι αυτό και ονομάζονται και μηχανές αξονικής ροής. Ο άξονας περιστροφής ευθυγραμμίζεται με την κατεύθυνση της πνοής του ανέμου μέσω του συστήματος προσανατολισμού. Η απόδοση της μηχανής εξαρτάται από τον αριθμό και το σχήμα των πτερυγίων, την επιλογή των αεροτομών, 22
το μήκος της χορδής του πτερυγίου, τη μεταβολή της γωνίας βήματος κατά μήκος του πτερυγίου και τη συστροφή μεταξύ πλήμνης και ακροπτερυγίου. Τα τελευταία θα γίνουν περισσότερο κατανοητά από τα παρακάτω όπου θα περιγράψουμε πως μεταβάλλεται κατά τη λειτουργία η σχετική ταχύτητα W και η σχετική γωνία φ κατά μήκος του πτερυγίου. Στο σχήμα 3.11 φαίνεται ένα τμήμα ενός περιστρεφόμενου πτερυγίου μιας ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα. Επίσης, γίνεται αναπαράσταση των διανυσμάτων των δυνάμεων και των ταχυτήτων που ασκούνται σε ένα σημείο του πτερυγίου μια τυχαία χρονική στιγμή. Άνωση Κατεύθυνση περιστροφής Αντίσταση Κάθετη τομή του πτερυγίου σε ακτίνα r Ταχύτητα ανέμου και διεύθυνση Σχήμα 3.11. Διάγραμμα ταχυτήτων και δυνάμεων σε τμήμα πτερυγίου ανεμογεννήτριας [3] Η κατεύθυνση με την οποία βλέπει το πτερύγιο τον σχετικό άνεμο, είναι το αποτέλεσμα της ταχύτητας του ανέμου V 1 και της εφαπτομενικής ταχύτητας u του πτερυγίου στη συγκεκριμένη θέση. Η εφαπτομενική ταχύτητα u (m/sec) κατά μήκος του πτερυγίου μεταβάλλεται, καθώς μεταβάλλεται η τοπική ακτίνα r (m). Γενικά ισχύει: u Ω r όπου η γωνιακή ταχύτητα Ω (rad/sec) του πτερυγίου παραμένει σταθερή. Η ταχύτητα του ανέμου στο πτερύγιο V 1 είναι η έπ άπειρον ταχύτητα V 0 του ανέμου μειωμένη κατά ένα συντελεστή a που υπολογίζει την επιβράδυνση της ροής λόγω της ανταλλαγής ενέργειας που λαμβάνει χώρα. Ο συντελεστής a ονομάζεται συντελεστής αξονικής επαγωγής. Είναι: V (1 a) 1 V 0 Όπως έδειξε ο Albert Betz το 1928, το μέγιστο ποσοστό ισχύος που μπορεί να δεσμευτεί θεωρητικά από μια ιδανική έλικα είναι 16/27 (59.3%). Αυτό συμβαίνει όταν η επ άπειρον 23
ταχύτητα του ανέμου μειώνεται κατά το 1/3. Η σχετική γωνία πρόσπτωσης φ είναι η γωνία που σχηματίζει η σχετική ταχύτητα W με το πτερύγιο (σε συγκεκριμένο σημείο του πτερυγίου με τοπική ακτίνα r) και μετριέται από το επίπεδο περιστροφής του πτερυγίου. Η γωνία πρόσπτωσης α στο συγκεκριμένο σημείο του πτερύγιου σχηματίζεται αντίστοιχα από την χορδή του πτερυγίου στο συγκεκριμένο σημείο και την σχετική ταχύτητα W. Η γωνία βήματος του πτερυγίου συμβολίζεται με β ή τ και ορίζεται από την διαφορά της σχετικής γωνίας πρόσπτωσης φ από την γωνία πρόσπτωσης α. β φ α Η πτέρυγα είναι σχεδιασμένη να περιστρέφεται σε ένα επίπεδο, κάθετα στην κατεύθυνση του ανέμου. Αν αναλύσουμε σε ένα σημείο του πτερυγίου, την άνωση και την αντίσταση στις συνιστώσες τους κατά την περιφερειακή διεύθυνση, η διαφορά των δύο θα μας δώσει την κινητήρια δύναμη. Η συνιστώσα της άνωσης υπολογίζεται από την άνωση L και το ημίτονο της σχετικής γωνίας πρόσπτωσης φ (δηλαδή, L sinφ). Αντίστοιχα, η συνιστώσα της αντίστασης από το συνημίτονο της γωνίας φ (δηλαδή, D cosφ). Ομοίως υπολογίζουμε την συνολική δύναμη που ασκείται κατά την αξονική διεύθυνση. Δηλαδή, F περιφερειακή L sinφ - D cos φ F αξονική L cosφ Dsinφ Η ροπή στρέψης q που εκδηλώνεται στο συγκεκριμένο σημείο του πτερυγίου εξαρτάται από την περιφερειακή δύναμη (δηλαδή, τη διαφορά της συνιστώσας της άνωσης στο επίπεδο περιστροφής μείον την συνιστώσα της αντίστασης) και την τοπική ακτίνα r. Η συνολική ροπή στρέψης Q που ασκείται στην πτέρυγα υπολογίζεται από το άθροισμα των τοπικών ροπών στρέψεων σε όλα τα σημεία κατά μήκος του πτερυγίου και πολλαπλασιασμένο με τον αριθμό των πτερυγίων. Η ισχύς που παράγεται από την πτέρυγα είναι το αποτέλεσμα της συνολικής ροπής στρέψης Q και της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής Ω. Η σχετική γωνία πρόσπτωσης φ μεταβάλλεται κατά μήκος του πτερυγίου ανάλογα με την τοπική ακτίνα r (σχήμα 3.12). Αυτό συμβαίνει διότι η τοπική εφαπτομενική ταχύτητα, u, μεταβάλλεται καθώς μεταβάλλεται η τοπική ακτίνα r. Καθώς η εφαπτομενική ταχύτητα αυξάνεται καθώς πηγαίνουμε από την πλήμνη προς το ακροπτερύγιο, η γωνία φ μειώνεται. Μεταβαλλόμενη γωνία φ, σημαίνει ότι κάποιες αεροτομές δεν βλέπουν τη βέλτιστη γωνία πρόσπτωσης, δηλαδή δεν επιτυγχάνουν μεγιστοποίηση της άνωσης. Αν θέλουμε να επιτύχουμε σταθερή σχετική γωνία πρόσπτωσης φ κατά μήκος του πτερυγίου, πρέπει από κατασκευής να δώσουμε μια συστροφή στο πτερύγιο, η οποία θα αυξάνεται από την ρίζα του πτερυγίου (στην πλήμνη) προς το ακροπτερύγιο. Με άλλα λόγια θα αυξάνεται η γωνία βήματος β που σχηματίζει το πτερύγιο με το επίπεδο περιστροφής. Σήμερα η ύπαρξη συστροφής στα πτερύγια των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα είναι κάτι το δεδομένο για τους περισσότερους κατασκευαστές. 24
Άξονας περιστροφής Διεύθυνση περιστροφής Συστροφή κατά μήκος του πτερυγίου ανάμεσα στις θέσεις 2 και 10. Αδιάστατη ακτίνα R =r/r Σχήμα 3.12. Τρισδιάστατη αναπαράσταση των τριγώνων ταχυτήτων κατά μήκος πτέρυγας. [3] Ας υποθέσουμε τώρα ότι φτιάχνουμε μια ανεμογεννήτρια που μας παρέχει την δυνατότητα να μεταβάλλουμε τη γωνία βήματος κατά την λειτουργία της. Έστω ότι η ανεμογεννήτρια στρέφεται με σταθερή ταχύτητα, και σε κάποια στιγμή η ταχύτητα του ανέμου αυξάνεται. Ταυτόχρονα, η σχετική γωνία πρόσπτωσης φ αυξάνεται. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα κάποιες περιοχές του πτερυγίου να στολάρουν, δηλαδή λόγω αλλαγής της γωνίας πρόσπτωσης στην αεροτομή, να μειωθεί η άνωση και άρα η ροπή στρέψης. Όμως η δυνατότητα μεταβολής της γωνίας βήματος, μας επιτρέπει να διορθώσουμε την γωνία πρόσπτωσης, προσδίδοντας συστροφή στο πτερύγιο. Με αυτό τον τρόπο, η ανεμογεννήτρια συνεχίζει να λειτουργεί και σε μεγάλες ταχύτητες (μεγαλύτερες από την ονομαστική) και να παράγει την ονομαστική ισχύ. Οι μηχανές που έχουν την δυνατότητα μεταβολής του βήματος ονομάζονται ανεμογεννήτριες μεταβλητού βήματος (pitch control), ενώ οι άλλες ονομάζονται σταθερού βήματος (stall). Οι μηχανές μεταβλητού βήματος παρουσιάζουν τεχνολογική πολυπλοκότητα και άρα και μεγαλύτερο κόστος, έχουν όμως καλή ρύθμιση ισχύος (σχήμα 3.13) και άρα μεγαλύτερη αποδοτικότητα, μειωμένα αεροδυναμικά φορτία και ευκολία στην εκκίνηση της μηχανής. 600 kw 500 400 300 pitch control stall 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 ταχύτητα ανέμου (m/s) 25
Σχήμα 3.13. Καμπύλη ισχύος μηχανής stall και pitch control [1] Ανεμογεννήτριες Κατακόρυφου άξονα Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα είναι μηχανές εγκάρσιας ροής. Αυτό σημαίνει ότι η κατεύθυνση πνοής του ανέμου είναι κάθετη στον άξονα περιστροφής. Καθώς τα πτερύγια περιστρέφονται σαρώνουν μια τρισδιάστατη επιφάνεια, εντελώς διαφορετική από την επιφάνεια περιστροφής των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα. Σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς ανεμόμυλους, τα πτερύγια των μοντέρνων ανεμογεννητριών παράγουν το σημαντικότερο μέρος της ισχύος καθώς διέρχονται από το μπροστινό και το πίσω μέρος του όγκου σάρωσης σε σχέση με την κατεύθυνση πνοής του ανέμου. Καθώς το πτερύγιο κινείται με ταχύτητα αρκετές φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ανέμου, η γωνία πρόσπτωσης με την οποία βλέπει την σχετική ταχύτητα ανέμου, αν και μεταβάλλεται, παραμένει μικρή και επιτρέπει την εμφάνιση αεροδυναμικών δυνάμεων, που προκαλούν την εμφάνιση της ροπής στον άξονα. Η ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα λειτουργούν με τον άνεμο να πνέει από οποιαδήποτε κατεύθυνση. Ας υποθέσουμε ωστόσο, ότι ο άνεμος πνέει από δεδομένη κατεύθυνση, και επίσης ότι το πτερύγιο είναι τοποθετημένο, έτσι ώστε η χορδή του να είναι εφαπτόμενη στο επίπεδο περιστροφής, δηλαδή είναι απαλλαγμένο συστροφής. Η γωνία πρόσπτωσης του ανέμου, μεταβάλλεται από 0 έως 360 ο κατά τη διάρκεια ενός κύκλου περιστροφής. Ωστόσο πρέπει να λάβουμε υπ όψη μας τον σχετικό άνεμο, που βλέπουν τα πτερύγια κατά την περιστροφή τους και εξαρτάται τόσο από την αδιατάραχτη ροή του ανέμου (ταχύτητα V 1 ), όσο και από την ταχύτητα περιστροφής του πτερυγίου u. Δεδομένου ότι το πτερύγιο περιστρέφεται αρκετά γρήγορα, σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου (στην πράξη αυτό σημαίνει μια σχέση 3 προς 1 ή και περισσότερο), η γωνία πρόσπτωσης της σχετικής ταχύτητας θα μεταβάλλεται εντός συγκεκριμένων, μικρών ορίων (σχήμα 3.14). V 1 : ταχύτητα ανέμου στο πτεύγιο Σημείωση: το διάνυσμα της περιφερειακής ταχύτητας u έχει αντίθετη φορά από τη φορά περιστροφής του πτερυγίου. Σχήμα 3.14. Διάγραμμα ταχυτήτων και δυνάμεων σε ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα. [3] 2.6 Παραγωγή ενέργειας Καμπύλη Ισχύος 26
Η παραγωγή ισχύος μιας ανεμογεννήτριας μεταβάλλεται με την ταχύτητα του ανέμου, και κάθε μηχανή χαρακτηρίζεται από την καμπύλη ισχύος της που εξαρτάται από τα γεωμετρικά της χαρακτηριστικά και το σχεδιασμό της. Η καμπύλη ισχύος μιας ανεμογεννήτριας (σχήμα 3.15) χαρακτηρίζεται από την ταχύτητα έναρξης λειτουργίας (V cut in ) όπου η ανεμογεννήτρια ξεκινάει να παράγει ισχύ, την ταχύτητα διακοπής λειτουργίας (V cut out ) όπου η μηχανή τίθεται εκτός λειτουργίας για να προστατευθεί από τον πολύ δυνατό άνεμο, και η ονομαστική ταχύτητα (V R ) που είναι η μικρότερη ταχύτητα για την οποία η μηχανή παράγει την ονομαστική της ισχύ (P R ). Στην ονομαστική ισχύ, η ανεμογεννήτρια παρέχει τη μέγιστη ροπή. Σχήμα 3.15. Καμπύλη ισχύος [1] Παραγωγή ενέργειας Οι ανεμογεννήτριες δεν μπορούν να παράγουν όση ενέργεια θα θέλαμε, και όση δηλώνει η ονομαστική ισχύς τους, διότι πολλές ώρες ετησίως λειτουργούν μακριά από αυτήν. Η παραγόμενη ενέργεια μιας αιολικής μηχανής εξαρτάται τόσο από την καμπύλη ισχύος της μηχανής, όσο και από το ρόδο του ανέμου στην περιοχή. Για κάθε ταχύτητα ανέμου εντός των ορίων λειτουργίας της ανεμογεννήτριας (ανάμεσα στην ταχύτητα έναρξης λειτουργίας V cut in και ταχύτητα διακοπής λειτουργίας V F ), η παραγόμενη ενέργεια προκύπτει από το γινόμενο του αριθμού των ωρών εμφάνισης της συγκεκριμένης ταχύτητας ετησίως με την ισχύ που αντιστοιχεί (για δεδομένη καμπύλη ισχύος). Με αυτό το τρόπο μπορεί κανείς να φτιάξει την καμπύλη της κατανομής παραγόμενης ενέργειας. Η συνολική ετήσια ενέργεια προκύπτει από το άθροισμα της παραγόμενης ενέργειας για όλες τις ταχύτητες ανέμου που έχουμε λειτουργία. Αντίστοιχα, μπορεί κανείς να υπολογίσει την μέση ετήσια παραγόμενη ισχύ. Χωρίζουμε την περιοχή ταχυτήτων σε Ν διαστήματα. Με V i συμβολίζουμε την ταχύτητα στο αριστερό άκρο του διαστήματος και με V i+1 την ταχύτητα στο δεξιό άκρο. Η μέση ετήσια ισχύς είναι: 27
V V N i i1 P g Pg PVi V Vi 1, i1 2 όπου P g (V) η ισχύς της ανεμογεννήτριας σε συνάρτηση με την ταχύτητα (καμπύλη ισχύος), P(V i <V<V i+1 ) η πυκνότητα πιθανότητας να πνέει άνεμος ταχύτητας μεγαλύτερης της V i και μικρότερης της V i+1 και υπολογίζεται δεδομένου ότι: P V V V PV V PV V i i 1 i1 i Στη συνέχεια, δεδομένης της μέσης ετήσιας ισχύς υπολογίζουμε την ετήσια παραγόμενη ενέργεια: E 8760 P g Πρόσθετοι παράγοντες που επηρεάζουν την παραγόμενη ενέργεια είναι η διαθεσιμότητα της μηχανής, οι απώλειες μεταφοράς και ο βαθμός απόδοσης του αιολικού πάρκου. Η διαθεσιμότητα εκφράζει το ποσοστό του χρόνου που είναι διαθέσιμη η ανεμογεννήτρια για να λειτουργήσει και εκφράζεται με τον συντελεστή διαθεσιμότητας (Σ.Δ.). Να υπογραμμισθεί ότι ο Σ.Δ. δεν σχετίζεται με το αιολικό δυναμικό, αλλά το ποσοστό του χρόνου που προορίζεται για συντήρηση. Στο σύνολο του έτους υπάρχουν προγραμματισμένες εργασίες συντήρησης που πρέπει να γίνουν, αλλά υπάρχει και η περίπτωση, να σημειωθεί κάποια βλάβη (π.χ. απώλεια ενός πτερυγίου), οπότε αναγκαστικά μένει εκτός λειτουργίας η μηχανή μέχρι να επισκευαστεί. Τυπικές τιμές του είναι 0.97 0.98 [5]. Σε περιοχές με καλή παροχή υπηρεσιών και εύκολη πρόσβαση στο πάρκο, η συντήρηση, επιδιόρθωση πιθανών βλαβών και παραλαβή των αναγκαίων ανταλλακτικών μπορεί να είναι άμεση, οπότε ο συντελεστής διαθεσιμότητας είναι ιδιαίτερα υψηλός. Το αντίθετο συμβαίνει σε απομονωμένες περιοχές. Ο βαθμός απόδοσης του αιολικού πάρκου, εκφράζει τις απώλειες που έχουμε λόγω αλληλεπίδρασης ανεμογεννητριών σε αιολικά πάρκα, και οφείλεται κατά κύριο λόγο στο έλλειμμα της ταχύτητας που παρουσιάζεται στον ομόρρου της ανεμογεννήτριας. Συντελεστής εκμεταλλευσιμότητας Ο συντελεστής εκμεταλλευσιμότητας της ανεμογεννήτριας ορίζεται ως: E P CF, όπου E R 8760 PR E R P R και ουσιαστικά υποδηλώνει την ποιότητα σχεδίασης και κατασκευής της μηχανής, σε σχέση με το αιολικό δυναμικό της περιοχής. Ο συντελεστής εκμεταλλευσιμότητας δείχνει πόση ενέργεια παράγεται πραγματικά ως ποσοστό της ενέργειας που θα παραγόταν αν η αιολική μηχανή ή το πάρκο λειτουργούσαν όλο το χρόνο (8760 ώρες) με την ονομαστική τους ισχύ. Ένας ικανοποιητικός συντελεστής εκμεταλλευσιμότητας είναι της τάξεως από 0.25 έως 0.35. 2.7 Αιολικά Πάρκα Η πυκνότητα της αιολικής ενέργειας είναι μικρή με αποτέλεσμα για να παραχθεί μια αξιόλογη ποσότητα ενέργειας, συγκρίσιμη με αυτή των συμβατικών σταθμών, απαιτούνται πολλές μηχανές. Λόγω προβλημάτων διαθεσιμότητας γης σε συνδυασμό με ύπαρξη καλού αιολικού δυναμικού σε συγκεκριμένες περιοχές, καθώς και την επιδίωξη της ελαχιστοποίησης του 28
κόστους εγκατάστασης και λειτουργίας, η ηλεκτροπαραγωγή γίνεται σε συστοιχίες ανεμογεννητριών που ονομάζονται αιολικά πάρκα (σχήμα 3.16). Σχήμα 3.16. Αιολικό πάρκο εγκατεστημένο στη Σητεία της Κρήτης Κάθε ανεμογεννήτρια λόγω της διαδικασίας δέσμευσης ενέργειας από τον άνεμο, επιβραδύνει τη ροή και δημιουργεί έναν ομόρρου χαμηλής ταχύτητας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, μια μηχανή που βρίσκεται κατάντι να βλέπει άνεμο χαμηλότερης ταχύτητας και να παράγει λιγότερη ενέργεια από την πρώτη μηχανή. Η θέση εγκατάστασης των αιολικών μηχανών, η διάταξη μεταξύ τους, αλλά και ως προς την κύρια κατεύθυνση του ανέμου αποτελεί αντικείμενο ερευνητικής προσπάθειας με στόχο την ελαχιστοποίηση των αλληλεπιδράσεων και την μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης του αιολικού πάρκου. Αρχικός σχεδιασμός Από την στιγμή που για μια περιοχή υπάρχουν ενδείξεις ότι το αιολικό δυναμικό είναι κατάλληλο, ξεκινάει η διαδικασία σχεδιασμού του αιολικού πάρκου. Αυτή είναι μια ουσιαστική διαδικασία που αποσκοπεί να σταθμίσει όλους τους περιορισμούς που εμπλέκονται στην ανάπτυξη του αιολικού πάρκου, ώστε να προσδιορίσει το καλύτερο εφικτό και ευρέως αποδεκτό μέγεθος του πάρκου. Περιορισμοί θέτονται από: Την ικανότητα μεταφοράς του ηλεκτρικού δικτύου Το μέγεθος και την διάταξη της θέσης σε σχέση με το ρόδο του ανέμου και τις ελάχιστες αποστάσεις στη διάταξη των μηχανών κατά την κύρια κατεύθυνση του ανέμου. Την υφιστάμενη υποδομή (δρόμους, χωριά κλπ) και το κόστος της απαιτούμενης αναβάθμισης. Τους Περιβαλλοντικούς περιορισμούς και χρήσης γης (προστατευμένες περιοχές, Δίκτυο Natura, περιοχές ιδιαίτερου φυσικού κάλλους, αρχαιολογικοί ιστορικοί χώροι κλπ) Γειτνίαση με κατοικημένες περιοχές λόγω ακουστικής και οπτικής όχλησης Αυτοί οι περιορισμοί, μπορεί να μεταβάλλονται με την πρόοδο των συζητήσεων και των διαπραγματεύσεων με τους διάφορους εμπλεκόμενους φορείς. Δεδομένων των πιθανών περιορισμών και του μεγέθους της Ανεμογεννήτριας, μπορεί στη συνέχεια να γίνει μια αρχική εκτίμηση του μεγέθους του πάρκου που μπορεί να αναπτυχθεί. Το μέγεθος της Ανεμογεννήτριας μπορεί να καθορίζεται από την αγορά και ποια μεγέθη προτείνονται από τους διάφορους κατασκευαστές, αλλά και από τη δυνατότητα της υφιστάμενης υποδομής της θέσης (πολύ μεγάλες μηχανές μπορεί να είναι τεχνικά αδύνατο ή οικονομικά ασύμφορο να μεταφερθούν σε αρκετές περιπτώσεις). Η τελική επιλογή συγκεκριμένου μοντέλου θα γίνει σε επόμενο βήμα μετά από έρευνα αγοράς. 29
Καθώς το αιολικό δυναμικό παραμένει η παράμετρος κλειδί που τελικά θα καθορίσει την οικονομική βιώσιμότητα, αλλά και τα έξοδα που μπορεί να αντέξει ο επενδυτής για να πραγματοποιήσει την επένδυση, είναι αναγκαίο στη φάση του αρχικού σχεδιασμού να πραγματοποιηθούν μετρήσεις ή να χρησιμοποιηθούν υφιστάμενες μετρήσεις σε κοντινή περιοχή. Η γνώση του αιολικού δυναμικού μιας περιοχής είναι αυτή που θα επιτρέψει τη διεξαγωγή συζητήσεων, διαπραγματεύσεων και τη λήψη αποφάσεων. Αναλυτικός σχεδιασμός Ο προσδιορισμός της διάταξης του αιολικού πάρκου (micro sitting) εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη φύση του ανάγλυφου της τοπογραφίας και το ρόδο του ανέμου στην περιοχή. Εάν οι ανεμογεννήτριες τοποθετηθούν σε απόσταση μικρότερη από 5 διαμέτρους σε μία κατεύθυνση με σημαντική συχνότητα εμφάνισης, είναι πιθανό ότι μεγάλες απώλειες λόγω αλληλεπίδρασης ομόρρου θα συμβούν. Σε περιοχές με δεσπόζουσα κύρια κατεύθυνση ανέμου, ή περιοχές με δύο αντίθετες κύριες κατευθύνσεις ανέμου (π.χ. Βόρειο Ανατολικός και Νότιο Δυτικός), προτείνονται συνήθως μεγαλύτερες αποστάσεις στην κύρια κατεύθυνση του ανέμου και περισσότερο πυκνή χωροθέτηση κάθετα στην κύρια κατεύθυνση του ανέμου. Πυκνότερη χωροθέτηση απαιτεί την έγκριση του κατασκευαστή για να βεβαιωθεί ότι η παρέχουσα εγγύηση εξακολουθεί να ισχύει, διότι πυκνότερη χωροθέτηση μπορεί να σημαίνει και μεγαλύτερη φόρτιση των μηχανών για συγκεκριμένες κατευθύνσεις ανέμου με αποτέλεσμα την μείωση του χρόνου ζωής της εγκατάστασης. Η θέση εγκατάστασης των αιολικών μηχανών και η διάταξη τους αποτελεί αντικείμενο βελτιστοποίησης με στόχο την ελαχιστοποίηση των αλληλεπιδράσεων, την μεγιστοποίηση της ενεργειακής παραγωγής του αιολικού πάρκου, αλλά και την ελαχιστοποίηση της απαιτούμενης υποδομής (δρόμοι και εσωτερικό δίκτυο) και του λειτουργικού κόστους. Βεβαίως η προτεραιότητα είναι να μεγιστοποιηθεί η παραγόμενη ενέργεια, καθώς αυτή καθορίζει περισσότερο την βιωσιμότητα του έργου παρά η ελαχιστοποίηση του κόστους των έργων υποδομής. Ο αναλυτικός λεπτομερείς σχεδιασμός ενός αιολικού πάρκου συνήθως γίνεται με χρήση διαφόρων σχεδιαστικών μοντέλων (υπολογιστικών εργαλείων) που είναι διαθέσιμα στο εμπόριο. Μόλις γίνει μια πρώτη εκτίμηση του αιολικού δυναμικού, στήνεται το μοντέλο που θα χρησιμοποιηθεί για την πρόλεξη της παραγόμενης αιολικής ενέργειας από το πάρκο και θα διαπραγματευτεί όλα εκείνα τα ζητήματα που σχετίζονται με το κόστος και τον σχεδιασμό του πάρκου. Για μεγάλα αιολικά πάρκα, είναι συνήθως δύσκολο να βρεθεί η βέλτιστη λύση χειρονακτικά. Σε τέτοιες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται ειδικοί αλγόριθμοι βελτιστοποίησης. Ακόμα και αύξηση κατά 1% στην ενεργειακή παραγωγή να επιτευχθεί με τη βελτίωση της χωροθέτησης αξίζει τον κόπο, αφού το όφελος θα είναι για όλη τη διάρκεια ζωής του έργου. Σε πολλές περιοχές του κόσμου, η ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας έχει εγείρει προβληματισμούς σχετικά με την οπτική όχληση που δημιουργείται. Για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί εργαλεία, στα οποία εισάγοντας τα δεδομένα της τοπογραφίας (ανάγλυφο) και τα δεδομένα του πάρκου (χωροθέτηση, ύψος και χαρακτηριστικά ανεμογεννητριών), γίνεται νοερή απεικόνιση του πάρκου. Έτσι μπορεί να φανεί από ποιες περιοχές θα είναι ορατό το αιολικό πάρκο, αλλά και πως θα φαίνεται ενσωματώνοντας τις ανεμογεννήτριες σε φωτογραφίες (φωτορεαλιστική απεικόνιση). Αντίστοιχα εργαλεία μπορούν να δώσουν προβλέψεις για την ακουστική όχληση και την σκίαση που μπορεί να προκαλέσει η ανάπτυξη ενός αιολικού πάρκου. 30
Όλα αυτά απαιτούνται όχι μόνο για αισθητικούς λόγους, αλλά και διαδικαστικούς καθώς τέτοιες αναλύσεις απαιτούνται κατά την αδειοδοτική διαδικασία και πρέπει να συνοδεύουν την αίτηση για την ανάπτυξη αιολικού πάρκου. Πεδίο ροής ομόρρου ανεμογεννήτριας Ως ομόρρου μιας ανεμογεννήτριας νοούμε την κατάντι σε αυτή περιοχή της ροής όπου σε σχέση με την προσπίπτουσα στη μηχανή ροή του ανέμου παρατηρείται σημαντικό έλλειμμα. Το έλλειμμα αυτό ταχύτητας αντιστοιχεί στην κινητική ενέργεια που απορρόφησε η μηχανή. Η μελέτη του ομόρρου είναι κλασσικό πρόβλημα ρευστομηχανικής. Ωστόσο η ακριβής πρόλεξη των χαρακτηριστικών του ομόρρου μιας ανεμογεννήτριας είναι δύσκολη, καθώς επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες (σχήμα 3.17). Σχήμα.3.17. Ομόρρους ανεμογεννήτριας [2] Ο σπουδαιότερος παράγοντας που επηρεάζει τη φύση της ροής του ομόρρου, είναι η ώση. Αυτή είναι μια δύναμη από το δρομέα στο ρευστό, η οποία προκύπτει λόγω της εξαγωγής ισχύος από τη ροή. Η δύναμη αυτή ενεργεί στη διεύθυνση της ταχύτητας του αδιατάραχτου ρεύματος. Σημαντικοί παράγοντες είναι επίσης η επίδραση του πύργου, η επίδραση του εδάφους, το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα, τα επίπεδα τύρβης της ροής του ανέμου και άλλοι. Η εξέλιξη του ομόρρου, η ταχύτητα κατάντι της πρώτης ανεμογεννήτριας και η απόδοση της κατάντι ανεμογεννήτριας, εξαρτάται από την σχετική θέση ως προς την πρώτη. Ο ομόρρους μιας ανεμογεννήτριας έχει διανομή ταχυτήτων της μορφής του σχήματος 3.18 και σταδιακά επανενεργοποιείται. Εκτός της μείωσης της ταχύτητας του ανέμου, ο ομόρρους μιας ανεμογεννήτριας χαρακτηρίζεται από αυξημένα επίπεδα τύρβης, γεγονός που επίσης οφείλεται στον μηχανισμό απορρόφησης. 31