5.1 & 5.2 Υπεράκτιες Ανεμογεννήτριες

Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση Πρόγραμμα ια Βίου Μάθησης ΑΕΙ για την Επικαιροποίηση Γνώσεων Αποφοίτων ΑΕΙ: Σύγχρονες Εξελίξεις στις Θαλάσσιες Κατασκευές Α.Π.Θ. Πολυτεχνείο Κρήτης 5.1 & 5.2 Υπεράκτιες Ανεμογεννήτριες Πέτρος Ντοκόπουλος Ομότιμος Καθηγητής,Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Email 1

Εισαγωγή - Ιστορικό Η παρουσίαση αφορά ανεμογεννήτριες μεγάλης κλίμακας για δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας Μετά από μία σύντομη, απλοποιημένη αναφορά στη θεωρία, θα σχολιαστούν ορισμένα προβλήματα, που σχετίζονται με την κατασκευή, εγκατάσταση και διαχείριση ογκωδών κατασκευών σε αιολικά πάρκα Θα προβληθούν video από την ολοκλήρωση της πρώτης φάσης ενός των μεγαλυτέρων έργων του κόσμου London Array (1000 ΜW) 2

Εισαγωγή - Ιστορικό Προέλευση της αιολικής ενέργειας Ηλιακή ενέργεια Μηχανισμοί μετεωρολογίας μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε κίνηση αερίων μαζών. Σημαντικό ρόλο παίζει η ανομοιομορφία του εδάφους και της γήινης επιφάνειας. Βαρομετρικά συστήματα και το γεωστροφικό φαινόμενο προσδιορίζουν τη ταχύτητα του ανέμου στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Τοπικά, η ταχύτητα επηρεάζεται και από τη μορφή του εδάφους. 3

Χρήση αιολικής ενέργειας Χρήση μικρής κλίμακας 50 W έως 10 kw Άντληση νερού Αλευρόμυλοι (εκατοντάδες χρόνια πριν) Η έξαρση τιμών στην αγορά πετρελαίου την δεκαετία του 70, έδωσε κίνητρα για ανάπτυξη και χρήση ανεμογεννητριών (Α/Γ), σε έργα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλης κλίμακας (GW) 4

Χρήση αιολικής ενέργειας Περιβαλλοντικοί λόγοι δημιούργησαν πρόσφατα πρόσθετα κίνητρα για μία επιταχυνόμενη ανάπτυξη Η απειλή ενός πυρηνικού ολέθρου έπαιξε επίσης σημαντικό ρόλο στη πολίτικη μεγάλων επενδύσεων στην ανάπτυξη Α/Γ ηλαδή, η απαίτηση για μείωση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από πυρηνικά εργοστάσια τις επόμενες δεκαετίες οδήγησε σε μεγάλες επενδύσεις, ιδιαίτερα στην Βόρεια Ευρώπη 5

Χρήση αιολικής ενέργειας Περιορισμοί χώρου και η ανάγκη για αύξηση της απόδοσης έδωσαν ώθηση να αναζητηθούν δυνατότητες εγκατάστασης αιολικών πάρκων σε παράκτιες περιοχές. Οι ανεμογεννήτριες αυτών των αιολικών πάρκων μπορεί να φτάσουν σε συνολικό ύψος τα 200 m περίπου και μήκος πτερυγίων 70 m. Η ισχύς των εμπορικά διαθέσιμων ανεμογεννητριών υπερβαίνει τα 4 MW. Σε φάση δοκιμής ευρίσκονται εγκαταστάσεις των 7 MW περίπου. 6

Σύγκριση Α/Γ με συμβατικά μέσα παραγωγής Σχεδόν μηδενικό κόστος ενέργειας Αμελητέες εκπομπές αερίων ρύπων Εξοικονόμηση πόρων & συναλλάγματος Έσοδα από τη διάθεση πιστοποιητικών αερίων ρύπων Απαιτούνται πρόσθετοι εξοπλισμοί δικτύου για την αξιόπιστη λειτουργία του Απαιτούνται αυξημένες εφεδρείες Κίνδυνοι μερικού blackout στο δίκτυο Αυξημένο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης Περιβάλλον ενοχλούν τα πτηνά. 7

Χρήση αιολικής ενέργειας 8

Κατασκευαστικές μορφές ανεμογεννητριών (Α/Γ) Όλες οι Α/Γ έχουν ένα περιστρεφόμενο άξονα, που στη μία άκρη του υπάρχει πτερωτή και στην άλλη άκρη μία ηλεκτρική γεννήτρια, συνδεδεμένη στο δίκτυο. Κατά κανόνα υπάρχει και ένας μειωτήρας στροφών για την προσαρμογή της ροπής (στροφών) της πτερωτής στη ροπή (στροφές) της γεννήτριας. Υπάρχουν όμως και γεννήτριες, στις οποίες η ροπή (στροφές) προσαρμόζεται ηλεκτρικά, οπότε δεν απαιτείται μηχανικός μειωτήρας. Κατά κανόνα, σε Α/Γ μεγάλης κλίμακας, ο άξονας περιστροφής είναι οριζόντιος. Σε ορισμένες πειραματικές κυρίως εφαρμογές, ο άξονας περιστροφής της Α/Γ είναι κατακόρυφος (Α/Γ τύπου αρείου) 12

Χρήση αιολικής ενέργειας ΝΑΣΕΛΛΑ (ΚΑΜΠΙΝΑ) ΣΑΣΜΑΝ 50/1500 ΥΚΤΙΟ ΠΛΗΜΝΗ ΠΥΡΓΟΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΡΟΜΕΑΣ 13

υνάμεις, ροπές στην πτερωτή Τα πτερύγια των σύγχρονων Α/Γ είναι αεροτομές. Οι δυνάμεις που ασκούνται στις αεροτομές επηρεάζονται από τη μορφή της αεροτομής και από την σχετική ταχύτητα του ανέμου, ως προς την κινούμενη αεροτομή. Η ταχύτητα είναι διαφορετική στον ομφαλό από ότι στα άκρα των πτερυγίων. Γι αυτό το λόγο υπάρχει μία συστροφή των πτερυγίων, ηοποία είναι μόνιμη προκειμένου να έχουμε βέλτιστη απόδοση. Επιπλέον, ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, τα πτερύγια στρέφονται ελεγχόμενα, προκειμένου να διατηρείται η βέλτιστη απόδοση. 24

υνάμεις, ροπές στην πτερωτή 25

υνάμεις, ροπές στην πτερωτή (συνέχεια) Εκτός της δύναμης που ασκείται στην πτερωτή και παράγει ισχύ, έχουμε και μία πρόσθετη δύναμη, που ασκείται στον ομφαλό (πλήμνη) της Α/Γ, κάθετα προς τον πύργο στήριξης (drag force). Επιπλέον, υπάρχουν και δυνάμεις που ασκούνται από τον άνεμο, τα κύματα και τα υπόγεια ρεύματα επάνω στον πύργο στήριξης και κατανέμονται κατά μήκος αυτού. Η περιστροφή του άξονα δημιουργεί ροπή, η οποία είναι ίση με το λόγο της ισχύος προς τη γωνιακή ταχύτητα του άξονα Τ =P w / ω 26

Ρυθμίσεις στις Α/Γ Οι βασικές ρυθμίσεις είναι δύο 1. Ο προσανατολισμός στον άνεμο (yaw adjustment) και 2. Η ρύθμιση της γωνίας των πτερυγίων (pitch adjustment) Pitch adjustment Yaw adjustment 27 Σε ορισμένες Α/Γ χαμηλής ισχύος, η ρύθμιση πτερυγίων pitch μπορεί να λείπει.

Ροή ισχύος V,m v v E = 0,5.m v 2 m = V.γ P a = de / dt 28

ιαθέσιμη ροή ισχύος στην επιφάνεια σάρωσης v = ταχύτητα ανέμου A = π.r 2 = επιφάνεια σάρωσης πτερυγίων dm/dt = ροή αέριας μάζας (kg/s) διαμέσου της Α dm/dt = Α.γ.v = επιφάνεια x ειδική μάζα x ταχύτητα γ = πυκνότητα του αέρα (kg/m 3 ) E = μεταφερόμενη ενέργεια = 0,5.m.v 2 Ρ a = ροή ισχύος = de/dt = 0,5.v 2.dm/dt 29

ιαθέσιμη ροή ισχύος στην επιφάνεια σάρωσης Ισχύς διαθέσιμη προς εκμετάλλευση Ρ a = 0,5.A.γ.v 3 = 0,5.π.r 2.γ.v 3 (ισχύει για v κάθετη στην επιφάνεια Α) Η διαθέσιμη ισχύς προσδιορίζεται από την επιφάνεια σάρωσης Α, την τρίτη δύναμη της ταχύτητας V του ανέμου, την πυκνότητα γ του αέρα (δηλαδή το χειμώνα είναι μεγαλύτερη η διαθέσιμη ισχύς σε σχέση με το καλοκαίρι), απαιτείται προσανατολισμός του άξονα της Α/Γ. Η ισχύς στον άξονα της Α/Γ Ρ w εξαρτάται από την κατασκευή της και είναι μόνο ένα μέρος της διαθέσιμης ισχύος Ρ a Ρ w < Ρ a 30

ιαθέσιμη ροή ισχύος στην επιφάνεια σάρωσης Η ισχύς της Α/Γ Ρ w μπορεί θεωρητικά να ανέλθει στο 59% της διαθέσιμης ισχύος Ρ a, σύμφωνα με το θεώρημα του Betz Ισχύς διαστασιολόγισης της Α/Γ Ρ w =C p.ρ a όπου C p = συντελεστής ισχύος = 0,30 0,40 (συνήθως) Η μέση ετήσια ισχύς της Α/Γ είναι μικρότερη της ισχύος διαστασιολόγισης, λόγω της μεταβλητότητας του ανέμου Ρ = Ενέργεια (W) Χρόνος (s) = C.P w όπου C= συντελεστής απόδοσης (capacity factor) = 0,35 0,40 31

Τίτλος Το βίντεο δείχνει τι περιέχει μία Α/Γ Whats_inside_a_wind_turbine.mp4 32

Σχεδιαστικά χαρακτηριστικά Α/Γ ιαστασιολόγηση με δεδομένα τα μετεωρολογικά στοιχεία Βασική απαίτηση είναι η αντοχή στην δυσμενέστερη καταπόνηση, που είναι συνήθως 50 m/s (ίσον περίπου 180 km/h, 12 Beaufort) για μερικά λεπτά. Επιδιώκουμε βέλτιστη λειτουργία σε περιοχές ανέμου που αναμένεται. Έτσι καταλήγουμε σε μία χαρακτηριστική ισχύος ταχύτητας ανέμου Ρ = f(v). Η γεννήτρια αρχίζει να παράγει ενέργεια και συνδέεται στο δίκτυο στα 3-4 m/s «ταχύτητα εισόδου» (cut-in velocity) Ακολούθως υπάρχει μία άνοδος της ισχύος μέχρι μίας τιμής, της ονομαστικής ισχύος Σε περεταίρω αύξηση της ταχύτητας του ανέμου, η ισχύος μένει σταθερή, έως ότου η ταχύτητα του ανέμου φθάσει στο όριο της μέγιστης επιτρεπόμενης ταχύτητας (cut-out velocity), που είναι περίπου 25-30 m/s Η γεννήτρια αποσυμπλέκεται από το δίκτυο και παραμένει σε αυτή την κατάσταση έως ότου η ταχύτητα ανέμου φτάσει σε αποδεκτά όρια33

Σχεδιαστικά χαρακτηριστικά Α/Γ Ταχύτητα διαστασιολόγησης Ισχύς (kw) Ισχύς διαστασιολόγησης Ταχύτητα ανέμου (m/s) 34

Ηλεκτρική γεννήτρια δρομέας Περιελίξεις δρομέα στάτης Περιελίξεις στάτη 35

Μετατροπή κινητικής ενέργειας σε ηλεκτρική Στον άξονα της Α/Γ ισχύει για τις ροπές στη στάσιμη κατάσταση Τe + Tw = 0 Τe = ηλεκτρική ροπή Tw = μηχανική ροπή ανέμου Αν είχαμε Τe + Tw 0 τότε θα είχαμε επιτάχυνση ή επιβράδυνση στον άξονα Αν είχαμε Τw > Τe τότε θα είχαμε επιτάχυνση στον άξονα και αν Τw < Τe θα είχαμε επιβράδυνση στον άξονα N Τw Ν -Τe S S 36

Σύνδεση Α/Γ με ηλεκτρική γεννήτρια Ο άξονας της πτερωτής στρέφεται με 50 rpm Ο άξονας της ηλεκτρογεννήτριας στρέφεται με τις στροφές που επιβάλλονται από το δίκτυο, 1500 rpm Συνεπώς, για να υπάρχει μετάδοση ισχύος, πρέπει μεταξύ πτερωτής και ηλεκτρογεννήτριας να υπάρξει ένας κατάλληλος σύνδεσμος, που να συγχρονίζει τις δύο περιστροφικές ταχύτητες Υπάρχουν τρεις λύσεις α. Μηχανικός μειωτήρας στροφών 1500/50 β. Παρεμβολή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα συχνότητας και γ. Χρήση ειδικής ηλεκτρογεννήτριας διπλής τροφοδότησης 37

Χρήση μειωτήρα στροφών Μειωτήρας στροφών Ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού f 1 f 2 ίκτυο Ο δρομέας έχει ένα βραχυκυκλωμένο πηνίο 38

Χρήση ενδιάμεσου κυκλώματος συνεχούς ρεύματος Σύγχρονη γεννήτρια με διέγερση ή με μόνιμους μαγνήτες f 1 f 2 AC DC f 3 DC AC ίκτυο 39

ιπλή τροφοδότηση δρομέα f 1 f 3 ίκτυο f 2 f3 40

Μεταφορά ηλεκτρικής ισχύος από Α/Γ στο δίκτυο G 690 V M/Σ 690V/20 kv 20 kv AC AC DC Καλώδιο DC DC AC προς δημόσιο δίκτυο 41

Έλεγχος και επεξεργασία δεδομένων Data Bus Τοπικό δίκτυο Α/Γ (industrial Ethernet, Profibus ή παρόμοιο) Αισθητήρια Ηλεκτρικά/Μηχανικά (sensors) Επεξεργαστής (firmware) Ενεργοποιητές (actuators) Θύρα Ethernet Οπτική ίνα ενσωματωμένη στο καλώδιο ισχύος Σ.Ρ. Οθόνη/ GUI Προς υποσταθμό Υποσταθμός στην ακτή ρομολογητής (rooter) Τοπικό δίκτυο Α/Γ και μεταφορά πληροφορίας στην ακτή (η δομή του δικτύου του υποσταθμού είναι παρόμοια) 42

Έλεγχος και επεξεργασία δεδομένων Α/Γ 1 Α/Γ 2 Α/Γ n Υποσταθμός Οπτική ίνα ethernet Τοπικό δίκτυο δρομολογητής VPN Οθόνη GUI Server 1 SW1 Server 2 SW2 User 1 User 2 Τοπικό δίκτυο Α/Γ και υποσταθμού και σύνδεση του με το διαδίκτυο διαδίκτυο 43