Τεχνολογίες Ελέγχου στα Αιολικά Συστήματα Ενότητα 1: Εισαγωγή Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 2
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 3
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης creative commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκεινται σε άλλου τύπου άδειες χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 4
Σκοποί ενότητας Σκοπός της ενότητας αυτής είναι να παρουσιαστούν τα βασικά χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών και οι συνήθεις τύποι τους. 5
Περιεχόμενα ενότητας Χαρακτηριστικά ανεμογεννητριών Συνήθεις τύποι ανεμογεννητριών 6
Χαρακτηριστικά Ανεμογεννητριών Κατακόρυφου άξονα ο άξονας περιστροφής τους είναι κάθετος ως προς το έδαφος και κατακόρυφος ως προς τη ροή του ανέμου. Πλεονεκτήματα i) δεν χρειάζεται να επιτευχθεί κάποιος προσανατολισμός ως προς τη διεύθυνση του ανέμου για να είναι αποτελεσματικές, ii) η ηλεκτρική τους γεννήτρια είναι τοποθετημένη στο έδαφος οδηγώντας σε μια απλή και οικονομική κατασκευή, iii) γενικά είναι εύκολα προσβάσιμα συστήματα και πολλές φορές δεν χρειάζεται πυλώνας στήριξης, iv) σε αυτές τις ανεμογεννήτριες ο έλεγχος βήματος πτερυγίου δεν είναι απαραίτητος όταν χρησιμοποιούνται με σύγχρονη μηχανή. 7
Χαρακτηριστικά Ανεμογεννητριών Κατακόρυφου άξονα (συνέχεια) Παρουσιάζουν σημαντικά μειονεκτήματα που δεν τις κάνουν τόσο λειτουργικές: i) πολλές φορές δεν είναι δυνατόν να ξεκινήσουν να περιστρέφονται χωρίς εξωτερική παρέμβαση, καθώς η ροπή εκκίνησης τους είναι ιδιαίτερα υψηλή, οπότε και είναι απαραίτητο να λειτουργήσουν στην αρχή ως κινητήρες και να καταναλώσουν ισχύ από το δίκτυο. ii) Επίσης, τείνουν να έχουν χαμηλή απόδοση μιας και σε χαμηλά ύψη οι άνεμοι δεν είναι ιδιαίτερα ισχυροί, ενώ κατά την περιστροφή τους υπάρχουν σημεία στα οποία η συνεισφορά τους είναι σχεδόν μηδενική. 8
Χαρακτηριστικά Ανεμογεννητριών Οριζόντιου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους οριζόντιο ως προς το έδαφος και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Σήμερα κατέχουν παγκόσμια το συντριπτικό μερίδιο της αγοράς ανεμογεννητριών. Σημαντικά πλεονεκτήματα είναι ότι δεν χρειάζονται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, παρουσιάζουν υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή και εύκολη συναρμολόγηση. Βασικό μειονέκτημα είναι η ανάγκη για τοποθέτηση του κιβωτίου ταχυτήτων και της γεννήτριας πάνω στον πύργο, γεγονός που δυσκολεύει την τοποθέτηση τους και αυξάνει σημαντικά το κόστος κατασκευής. 9
Χαρακτηριστικά Ανεμογεννητριών Οριζόντιου άξονα (συνέχεια) Οι ανεμογεννήτριες αυτές χαρακτηρίζονται και κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τον αριθμό των πτερυγίων τους. Αν και φθηνές στην κατασκευή, οι μονοπτέρυγες και διπτέρυγες ανεμογεννήτριες δεν χρησιμοποιούνται είτε για λόγους αισθητικούς ή λόγω προβλημάτων εξισορρόπησης δυνάμεων στην κατασκευή. Οι τριπτέρυγες είναι αυτές που χρησιμοποιούνται ευρέως και ο λόγος είναι η σταθερότητα τους καθώς το αεροδυναμικό φορτίο κατανέμεται ομοιόμορφα ενώ και το μηχανικό φορτίο εξισορροπείται. 10
Χαρακτηριστικά Ανεμογεννητριών Οριζόντιου άξονα (συνέχεια) Ανεμογεννήτριες με περισσότερα πτερύγια προτιμούνται σε εφαρμογές όπου απαιτείται μεγαλύτερη ροπή εκκίνησης, όμως η ισχύς που παράγουν είναι μάλλον μικρότερη σε σχέση με τις τριπτέρυγες που σαρώνουν ίδια επιφάνεια λόγω αυξημένων αεροδυναμικών απωλειών. 11
Χαρακτηριστικά Ανεμογεννητριών Χρησιμοποιούμενες μηχανές Επαγωγικές (2-3 ζεύγη πόλων) Τριφασική ασύγχρονη βραχυκυκλωμένου κλωβού Τριφασική ασύγχρονη δακτυλιοφόρου δρομέα Σύγχρονες (πολλά ζεύγη πόλων) Τριφασική σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη Τριφασική σύγχρονη μηχανή με εξωτερική διέγερση 12
Χαρακτηριστικά Ανεμογεννητριών Κιβώτιο ταχυτήτων Στις ανεμογεννήτριες με ασύγχρονες μηχανές χρησιμοποιείται πάντα λόγω κατασκευαστικού περιορισμού στο μέγιστο αριθμό ζευγών πόλων. Στις ανεμογεννήτριες με σύγχρονες μηχανές χρησιμοποιείται είτε κιβώτιο με μικρότερο λόγο σε σχέση με αυτό στις ασύγχρονες μηχανές ή αποφεύγεται πλήρως η χρήση κιβωτίου ταχυτήτων. 13
Χαρακτηριστικά Ανεμογεννητριών Σύστημα μηχανικής πέδησης βρίσκεται από την πλευρά υψηλής ταχύτητας περιστροφής. Σύστημα περιστροφής πτερυγίων βοηθάει στη μεταβολή της μέγιστης ισχύος που λαμβάνεται από τον άνεμο. Σύστημα περιστροφής ατράκτου βοηθάει στο να εξασφαλίζεται η πρόσπτωση του ανέμου κάθετα στην περιοχή που σαρώνουν τα πτερύγια. Μέτρηση της ταχύτητας του ανέμου γίνεται με όργανα υπερήχων. 14
Τύποι Ανεμογεννητριών Σταθερών στροφών Ο παλαιότερος τύπος ανεμογεννητριών που εγκαταστάθηκε σε μεγάλη κλίμακα ήταν οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών. Ανεξάρτητα από την ταχύτητα του ανέμου, η ταχύτητα του ανεμοκινητήρα είναι σταθερή και εξαρτάται από τη συχνότητα του δικτύου στο οποίο συνδέεται η γεννήτρια, τον λόγο του κιβωτίου ταχυτήτων και τη σχεδίαση της γεννήτριας όσον αφορά τον αριθμό των ζευγών πόλων. Συνήθως χρησιμοποιείται σε αυτό τον τύπο ανεμογεννητριών μια ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού που συνδέεται απευθείας στο δίκτυο, ένας ομαλός εκκινητής (soft-starter) και συστοιχία πυκνωτών για αντιστάθμιση αέργου ισχύος. 15
Τύποι Ανεμογεννητριών Εικόνα 1.1 Ανεμογεννήτρια σταθερών στροφών (Danish concept) 16
Τύποι Ανεμογεννητριών Σταθερών στροφών (συνέχεια) Είναι σχεδιασμένες να επιτυγχάνουν τη μέγιστη τους απόδοση σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου. Προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή ισχύος, η ασύγχρονη γεννήτρια σε μερικές από αυτές τις ανεμογεννήτριες έχει δύο ομάδες τυλιγμάτων, μια που χρησιμοποιείται σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου (με τυπικά 4 ζεύγη πόλων) και μια άλλη για μεσαίες και υψηλές ταχύτητες ανέμου (με τυπικά 2 ή 3 ζεύγη πόλων). Πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών σταθερών στροφών είναι η απλή, εύρωστη και αξιόπιστη κατασκευή τους. Επίσης, το κόστος των ηλεκτρικών μερών που χρησιμοποιούνται είναι μικρό. 17
Τύποι Ανεμογεννητριών Σταθερών στροφών (συνέχεια) Μειονεκτήματα αποτελούν η μη ελεγχόμενη κατανάλωση άεργου ισχύος, η μηχανική καταπόνηση και οι μειωμένες δυνατότητες ελέγχου ποιότητας της παραγόμενης ισχύος. Εξαιτίας της λειτουργίας σταθερών στροφών, οι διακυμάνσεις στην ταχύτητα του ανέμου οδηγούν σε διακυμάνσεις στη μηχανική ροπή και τελικά σε διακυμάνσεις στην ηλεκτρική ισχύ που αποδίδεται στο δίκτυο. Σε περίπτωση σύνδεσης σε ασθενές δίκτυο, οι διακυμάνσεις ισχύος μπορεί να οδηγήσουν σε μεγάλες διακυμάνσεις στο επίπεδο της τάσης, οι οποίες, με τη σειρά τους, μπορεί να οδηγήσουν σε σημαντικές απώλειες ισχύος στις γραμμές. 18
Τύποι Ανεμογεννητριών Μεταβλητών στροφών Προκειμένου να λαμβάνεται η μέγιστη ισχύς από τον άνεμο, ο ανεμοκινητήρας πρέπει να προσαρμόζει την ταχύτητα περιστροφής τους με βάση την ταχύτητα του ανέμου. Ανάλογα με το εύρος ρύθμισης των στροφών, οι ανεμογεννήτριες χωρίζονται σε περιορισμένου εύρους στροφών και πλήρους εύρους στροφών. Για να επιτευχθεί η ρύθμιση στροφών, χρησιμοποιούνται διαφόρων τύπων ηλεκτρονικές διατάξεις με δυνατότητα διαχείρισης μέρους ή ολόκληρης της παραγόμενης ισχύος. 19
Τύποι Ανεμογεννητριών Μεταβλητών στροφών (συνέχεια) Επιπλέον, μέσω των χρησιμοποιούμενων διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος είναι εφικτός ο έλεγχος άεργου ισχύος που απορροφάται από το δίκτυο και η ομαλή σύνδεση των ανεμογεννητριών, οπότε δεν είναι αναγκαία η χρήση συστοιχίας πυκνωτών και ομαλών εκκινητών. 20
Τύποι Ανεμογεννητριών Περιορισμένου εύρους μεταβλητών στροφών Ο πρώτος τύπος ανεμογεννητριών με αρκετά περιορισμένη δυνατότητα λειτουργίας μεταβλητών στροφών που έγινε διαθέσιμος εμπορικά στα μέσα της δεκαετίας του 1990 ήταν η ανεμογεννήτρια με μεταβλητή αντίσταση δρομέα, μια τεχνολογία γνωστή και ως OptiSlip. H τεχνολογία αυτή, που αναπτύχθηκε από τη Vestas, κάνει χρήση τριφασικής ασύγχρονης μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα με το στάτη της συνδεδεμένο στο δίκτυο. Γίνεται χρήση και εδώ συστοιχίας πυκνωτών προκειμένου να επιτυγχάνεται αντιστάθμιση άεργου ισχύος, ενώ για λόγους ομαλής σύνδεσης στο δίκτυο χρησιμοποιείται ομαλός εκκινητής. 21
Τύποι Ανεμογεννητριών Εικόνα 1.2 Ανεμογεννήτρια τύπου OptiSlip 22
Τύποι Ανεμογεννητριών Περιορισμένου εύρους μεταβλητών στροφών (συνέχεια) Η μεταβλητή ηλεκτρονικά αντίσταση δρομέα, μέσω εξωτερικού κυκλώματος που συνδέεται στα τυλίγματα δρομέα, δίνει τη δυνατότητα μεταβολής της συνολικής αντίστασης δρομέα και άρα ελέγχου της ολίσθησης. Έτσι καθίσταται εφικτός ο έλεγχος της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Το εύρος ρύθμισης των στροφών ανεμοκινητήρα εξαρτάται από το μέγεθος της μεταβλητής αντίστασης δρομέα, ενώ τυπικά παίρνει τιμές στο διάστημα 0-10% πάνω από τη σύγχρονη ταχύτητα. 23
Τύποι Ανεμογεννητριών Περιορισμένου εύρους μεταβλητών στροφών (συνέχεια) Μια πιο εξελιγμένη τεχνολογία που υιοθετήθηκε ευρέως στα τέλη της δεκαετίας του 1990, και αποτελεί μέχρι σήμερα την περισσότερο συχνά συναντώμενη σε αιολικά πάρκα, είναι ανεμογεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Σε αυτό τον τύπο ανεμογεννητριών χρησιμοποιείται τριφασική ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα, όπου ο στάτης συνδέεται απευθείας στο ηλεκτρικό δίκτυο ενώ ο δρομέας συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός μετατροπέα συχνότητας (frequency converter), ονομαστικής ισχύος περίπου 30% της ονομαστικής ισχύος ανεμογεννήτριας. 24
Τύποι Ανεμογεννητριών Εικόνα 1.3 Ανεμογεννήτρια διπλής τροφοδοσίας 25
Τύποι Ανεμογεννητριών Περιορισμένου εύρους μεταβλητών στροφών (συνέχεια) Μέσω του μετατροπέα συχνότητας είναι δυνατή η αντιστάθμιση άεργου ισχύος και η ομαλή σύνδεση στο δίκτυο, ενώ δίνεται η δυνατότητα λειτουργίας με μεταβλητή ηλεκτρική συχνότητα στο κύκλωμα δρομέα, προκειμένου να επιτυγχάνεται η ρύθμιση στροφών ανεμοκινητήρα, αλλά και η σύνδεση με το σταθερής συχνότητας ηλεκτρικό δίκτυο. Σε σχέση με την τεχνολογία OptiSlip, προσφέρει ένα πολύ μεγαλύτερο εύρος ρύθμισης στροφών, που εξαρτάται από τη διαστασιοποίηση του μετατροπέα συχνότητας, με τιμές τυπικά στο διάστημα -30% έως +30% γύρω από τη σύγχρονη ταχύτητα. 26
Τύποι Ανεμογεννητριών Περιορισμένου εύρους μεταβλητών στροφών (συνέχεια) Από οικονομική άποψη, η μικρή ονομαστική ισχύς του μετατροπέα συχνότητας σε σχέση με άλλες τεχνολογίες έκανε την υιοθέτηση αυτής της τεχνολογίας πραγματικότητα. Βασικά μειονεκτήματα της ανεμογεννήτριας διπλής τροφοδοσίας αποτελούν οι χρησιμοποιούμενη δακτύλιοι ολίσθησης (slip rings), που οδηγούν στην ανάγκη για συχνή συντήρηση της ανεμογεννήτριας, και η μειωμένη ανοχή σε σφάλματα στο δίκτυο. 27
Τύποι Ανεμογεννητριών Πλήρους εύρους μεταβλητών στροφών Οι ανεμογεννήτριες αυτής της τεχνολογίας συνδέονται στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας μέσω μετατροπέα συχνότητας που διαχειρίζεται το σύνολο της παραγόμενης ισχύος. Ο μετατροπέας συχνότητας παρέχει την απαιτούμενη άεργο ισχύ για τη μαγνήτιση της ηλεκτρικής γεννήτριας, όπου αυτή χρειάζεται, και αναλαμβάνει την ομαλή σύνδεση στο δίκτυο. Η ηλεκτρική γεννήτρια μπορεί να είναι τριφασική ασύγχρονη μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού, σύγχρονη μηχανή με ηλεκτρική διέγερση ή σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (permanent magnet synchronous generator, PMSG). 28
Τύποι Ανεμογεννητριών Εικόνα 1.4 Ανεμογεννήτρια πλήρους εύρους μεταβλητών στροφών 29
Τύποι Ανεμογεννητριών Πλήρους εύρους μεταβλητών στροφών (συνέχεια) Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται ασύγχρονη γεννήτρια είναι απαραίτητη η χρήση κιβωτίου ταχυτήτων, ενώ στην περίπτωση των σύγχρονων γεννητριών που είναι εφικτό να κατασκευάζονται με μεγάλο αριθμό ζευγών πόλων χρησιμοποιούνται κιβώτια με ταχυτήτων με σημαντικά μικρότερο λόγο κιβωτίου ή συχνά δεν απαιτείται η χρήση κιβωτίου ταχυτήτων (direct drive). Σήμερα, ο κύριος εκπρόσωπος αυτής της κατηγορίας είναι η ανεμογεννήτρια με σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη. 30
Τέλος Ενότητας
Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Όλα τα σχήματα, οι εικόνες και τα γραφήματα που παρουσιάστηκαν σε αυτήν την ενότητα προέρχονται από τις πανεπιστημιακές σημειώσεις με τίτλο «Τεχνολογίες Ελέγχου στα Αιολικά Συστήματα», Αντώνης Θ. Αλεξανδρίδης, εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών. 32
Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. 33
Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Αντώνιος Αλεξανδρίδης. «Εφαρμοσμένη Βελτιστοποίηση. Ενότητα 1». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://eclass.upatras.gr/courses/ee889. 34
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» 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. 35