Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας- Ενεργειακός σχεδιασμός κτιρίων E3310 Επ. Καθηγήτρια Μ. Ασημακοπούλου Γραφείο Γ3 masim@phys.uoa.gr Βιβλία: Ήπιες και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Λιώκη- Λειβαδά, Ασημακοπούλου) ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ Συμβατικές και Ήπιες 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
Παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας http://commons.wikimedia.org/wiki/file%3aglobal_energy_consumption.jpg
http://euanmearns.com/global- energy-trends-bp-statistical-review- 2014/ Παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας
ΟΔΗΓΙΑ του ΕΥΡΩΠΑΪΚΟΥ ΚΟΙΝΟΒΟΥΛΙΟΥ ΚΑΙ του ΕΥΡΩΠΑΙΚΟΥ ΣΥΜΒΟΥΛΙΟΥ για την προώθηση της χρήσης της ενέργειας από τις ανανεώσιμες πηγές Εκτιμούμενα παγκόσμια ενεργειακά αποθέματα (1021 Joules)
ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΚΑΤΑΝΑΛΛΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (Mtones ισοδύναμο πετρελαίου)
Κατανομή χρήσης ενεργειακών πόρων Εγχώριοι ενεργειακοί πόροι (Πηγή: ΡΑΕ) Τελική κατανάλωση ενέργειας ανα καύσιμο (Πηγή: Υπουργείο Ανάπτυξης, 2009)
Κατανάλωση ενέργειας ανά τομέα και ενεργειακή μορφή Τελική κατανάλωση ενέργειας ανα τομέα (Πηγή: Υπουργείο Ανάπτυξης, 2009)
Κατανάλωση ενέργειας ανά νοικοκυριό Μέση ετήσια κατανάλωση ενέργειας ανα νοικοκυριό (2011-2012) (Μέση κατανάλωση νοικοκυριού: 13.994 kwh) (Πηγή: Ελληνική Στατιστική Αρχή)
Κατανάλωση ενέργειας ανά νοικοκυριό Θερμική Ενέργεια Μέση ετήσια κατανάλωση θερμικής ενέργειας ανά νοικοκυριό (kwh): 10.244 Μέση κατανάλωση θερμικής ενέργειας ανά νοικοκυριό Ποσοστιαία (%) κατανομή κατά τελική χρήση Ηλεκτρική Ενέργεια Μέση ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά νοικοκυριό (kwh): 3.750 Ποσοστιαία κατανομή κατανάλωσης θερμικής ενέργειας κατά τύπο καυσίμου Ποσοστιαία κατανομή κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας κατά τελική χρήση
Κατανάλωση ενέργειας ανά νοικοκυριό Η κατανάλωση ενέργειας επηρεάζεται από Αστικότητα Χαρακτηριστικά των κτηρίων Ηλικία Μόνωση Θέρμανση Ψύξη Παροχή ζεστού νερού
Ήπια πηγή ενέργειας: κάθε μορφή ενέργειας που δεν ρυπαίνει το περιβάλλον Ανανεώσιμη πηγή ενέργειας: κάθε πηγή ενέργειας που θεωρητικά είναι ανεξάντλητη Αιολική Ενέργεια Ηλιακή Ενέργεια Βιοενέργεια Γεωθερμική Ενέργεια Υδροηλεκτρική Ενέργεια Ενέργεια απο τη θάλασσα
Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέμου που προέρχεται από τη μετακίνηση αερίων μαζών της ατμόσφαιρας αποτέλεσμα της μετατροπής του 2% 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 V ( t) V V( t) Μέση ταχύτητα του ανέμου 50 V 1 T t 0 T t 0 V ( 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 >20 χρόνια -> στατιστικός νόμος ακραίων τιμών 2-3 χρόνια -> στατιστικός νόμος υπερβάσεων Ριπές του ανέμου Ξαφνική μικρής διάρκειας αύξηση της ταχύτητας του ανέμου (V ριπής > 9.3 m/s και ΔV = 4.6 m/s) Καθορίζει την κόπωση της πτερωτής της ανεμογεννήτριας Αν οι ριπές διαρκέσουν περισσότερο από 30 sec θα πρέπει να υπάρχει πρόβλεψη η αιολική μηχανή να τεθεί εκτός λειτουργίας 50 40 Ριπές Ανέμου Ριπή V (m/sec) 30 20 10 0 0 1 2 3 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
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
Ανατάραξη αέρα Διακύμανση της ταχύτητας του αέρα (γύρω από τη μέση τιμή) t T V ( t) V ( t) V 2 2 V 1 T 0 t 0 dt, T 10min Ένταση της ανατάραξης: f(χαρακτηριστικά εδάφους) Εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του εδάφους 2 I V V 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 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 (log h0.88) 0 10 ( m) h: μέσο ύψος στοιχείων τραχύτητας
Ανατάραξη του αέρα Όταν τα επιφανειακά χαρακτηριστικά είναι πολύ μικρά ή ευλύγιστα στον άνεμο -> 0 f (V) I 1 ln 0 για 0. 0 20m I 0.14ln ln 0 0 0.78 για 0. 0 20m 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 2) Συνδυασμός δάσους και καλλιεργημένης περιοχής με πολλά εμπόδια στα περίχωρα της πόλης (τάξη τραχύτητας 3) Κατηγορία Τραχύτητας Τύπος εδάφους Ζο(m) 0 Πηλώδες έδαφος, Πάγος 10-5 3*10-5 0 Ήρεμη θάλασσα 2*10-4 - 3*10-4 0 Αμμώδες έδαφος 10-4 10-3 0 Χιονοκαλυμμένο επίπεδο έδαφος 4.9*10-3 1 Χέρσο έδαφος 10-3 -0.01 1 Χλοερό έδαφος 0.017 1 Επίπεδο ακαλλιέργητο έδαφος 0.021 2 Χαμηλή βλάστηση, Στέπα 0.032 2 Υψηλά χόρτα 0.039 2 Σιτοβολώνες 0.045 2 Καλλιέργειες 0.064 2 Θαμνώδες έδαφος 0.1-0.3 2 Δάση με χαμηλά δένδρα 0.05-0.1 3 Δάση με υψηλά δένδρα 0.2-0.9 3 Προαστιακές περιοχές 1-2 3 Πόλεις 1-4
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 V θαλάσσιας αύρας >V απόγειας αύρας Αναβάτες και καταβάτες άνεμοι Ασθενής συνοπτικός άνεμος ισχυρή θέρμανση ψύξη Καλοκαιρινοί μήνες Αύρα κοιλάδας Αύρα βουνών
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 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 V 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 2 m/s 3 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(v) των ταχυτήτων του ανέμου Μέση τιμή της ταχύτητας του ανέμου (πρώτη ροπή) 3 1 N 3 V V (τρίτη ροπή) / Ν:πλήθος μετρήσεων της ταχύτητας N 1 του ανέμου V Ειδικός παράγοντας ενέργειας 3 Πιθανότητα p(v i ) μέσα σε ορισμένα διαστήματα ταχυτήτων V 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 V
Αιολικό δυναμικό Μέσος άνεμος στα 80-m (2000) Christina L. Archer & Mark Z. Jacobson, Stanford University http://www.rae.gr/geo/ http://www.cres.gr/kape/datainfo/maps.htm
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 0 Ταξινόμηση επίπεδης περιοχής Ομοιογενής περιοχή Περιοχή που παρατηρείται αλλαγή στην τραχύτητα εδάφους Περιοχή που παρεμβάλλονται εμπόδια
Επίπεδη ομοιογενής περιοχή Ομοιόμορφη τραχύτητα εδάφους σε όλη την επιφάνεια Ομοιογενής περιοχή διαφορές ύψους θέσης εγκατάστασης της ΑΜ και του πεδίου σε ακτίνα 12km < 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 ( H R) 3h R
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 3 κατώτερων οριακών στρωμάτων (1: επίπεδη περιοχή με 0,2, 2: μεταβατικό, 3: περιοχή με 0,1 ο χώρος (οριζόντια) που μπορεί να φτάσει το υπόστρωμα 2 L * 2 10 0, i1 0,1 0,2 3 2 1 Εμπειρικός υπολογισμός ύψους/πάχους στρώματος 2 0,2 0.8 0.2 ( x) 0,2 0.75 0.03ln x 0,2 0,1
περιοχές με περισσότερες αλλαγές τραχύτητας ορισμός ύψους κατώτερων οριακών στρωμάτων αριθμός υποστρωμάτων (4km) 3 απόσταση αλλαγών τραχυτητών ταχύτητα ανάπτυξης υποστρωμάτων ύψος πτερωτής της ΑΜ η πτερωτή της ΑΜ επηρεάζεται από 1 ή 2 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 0,2 0.8 0.2 ( x) 0,2 0.75 0.03ln x 0,2 0,1
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 ( H ) σε σχέση με το ποσό της προσλαμβανόμενης ενέργειας σε ύψος 30-100m από το έδαφος και η ακτίνα R της πτερωτής H -R πάνω από το έδαφος > 3h c (h c μέσο ύψος τραχύτητας) -> ικανοποιητική προσλαμβανόμενη αιολική ενέργεια R
η ΑΜ επηρεάζεται από μια τραχύτητα αν δ 0,i > H +R x 0,i L * 0,i η ΑΜ επηρεάζεται από δυο τραχύτητες αν δ 0,i(max-1) -δ 0,i(max) >0.33δ 0,i(max) δ 0,i(max) < H +R δ 0,i(max) > 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 2km) που επηρεάζεται από τα χαρακτηριστικά του εδάφους (θερμικά + μηχανικά) Τραχύτητα εδάφους Υπάρχοντα εμπόδια τοπογραφία
Κατατομή (profile) του ΑΟΣ Το ΑΟΣ χωρίζεται σε 3 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 2 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 = V ( ) u Σταθερά von Karman 0.4 Μήκος τραχύτητας * 0 k 0 0 Παράμετρος ευστάθειας Μonin-Obukhov f(g, T, H F, c p ) L d τ: διατμητική τάση g= επιτάχυνση βαρύτητας Τ= απόλυτη θερμοκρασία Η f = κατακόρυφη ροή θερμότητας C p = ειδική θερμότητα σε σταθερή πίεση Επειδή η H f είναι δύσκολο να μετρηθεί αντικαθιστούμε την παράμετρο L με συνάρτηση αυτής L (σχετίζεται με τον αριθμό Ri (τυπική παράμετρο ευστάθειας) Παραδοχές ισχύος: 1. Η δύναμη Coriolis πάνω από το στρώμα της ατμόσφαιρας F=2*m*ω*u*ημφ <<< F ιξώδους 2. Η βαροβαθμίδα πάνω από μια περιοχή με =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 d g c p Ri = 0 (ουδέτερες ατμοσφαιρικές συνθήκες) dt d g c p Ri > 0 (ευσταθείς συνθήκες) dt d g c p
Ανάλογα με την ευστάθεια της ατμόσφαιρας η Λοιπές συνιστώσες γίνεται ) ( ln ) ( 0 0 * Ri f k u V x ) ( ln ) ( 0 0 * L f k u V x 0 ) ( 0 ) ( ) ( 0 0 * 0 V V d L k u V y x
Ri < 0 (ασταθείς συνθήκες) Τ ελαττώνεται με το ύψος γρηγορότερα από την αδιαβατική θερμοβαθμίδα V x ( ) u k ln 1 xˆ 1 xˆ 2ln ln 2 2 2 tan 2 * 0 1 0 γρήγορη σταθεροποίηση (σε μικρά h) της u για οποιοδήποτε 0 xˆ 2 xˆ f ( Ri) Ri = 0 (ουδέτερες ατμοσφαιρικές συνθήκες) Όσο μικρότερο το 0 τόσο μικρότερο το h σταθεροποίησης της V u * ln k 0 V x ( ) 0 Ri > 0 (ευσταθείς συνθήκες) Τ ελαττώνεται με το ύψος αργότερα από την αδιαβατική θερμοβαθμίδα 0 3 0 1000 u * 0 V x ( ) ln 4. 5 k 0 L L Ri 1 4.5Ri Όσο μικρότερο το 0 τόσο μικρότερο το h σταθεροποίησης της V αλλά για το ίδιο 0 η σταθεροποίηση σε μεγαλύτερο h
Εκθετικός νόμος κατατομής ανέμου u 1 u 2 1 2 n f ( 0, Ri) n Εφαρμόζεται 1.Σε στατικά δεδομένα 2. Αν Ζ 1 -Ζ 2 >30m (ακριβείς υπολογισμοί) Για 2 =10 οι τιμές του n μπορούν να ληφθούν απευθείας Κατηγορία τραχύτητα ς Είδος εδάφους 0 (m) n 0 Εξομαλυμένο (θάλασσα, χιόνι, άμμος) 0.001-0.02 0.10-0.13 1 Μέτρια τραχύτητα (χαμηλή βλάστηση και καλλιέργειες, αγροτικές περιοχές) 0.02-0.30 0.13-0.20 2 Τραχύ έδαφος (δάση, προάστια πόλεων) 0.30-2.0 0.20-0.27 3 Πολύ τραχύ έδαφος (αστικές περιοχές, ψηλά κτίρια) 2.0-10.0 0.27-0.40
Για 2 10m n 0.04ln 0.003 ln Σε ουδέτερες συνθήκες (U 6m/s) 2 0. 24 0 0 1, 2 από το επίπεδο μηδενικού ανέμου (Εμπειρική σχέση) n ln 1 1 0 2
Κατατομή του ανέμου σε ομοιογενείς επίπεδες περιοχές Ομοιογενής περιοχή ομοιόμορφη κατανομή στοιχείων τραχύτητας με πυκνότητα 10-20% του συνόλου 0 =0.15h (μέσο ύψος τραχύτητας) Επίδραση 0 μέχρι ύψους δ=0.08x u( ) 2.5u* ln ισχύει για ύψη >> * =3h Αν η πυκνότητα στοιχείων τραχύτητας >25% 0 Απόσταση από το σημείο μέτρησης μέχρι το σημείο που αλλάζει η τραχύτητα u( ) ( d ) 2.5u * ln, d 0 0.7h Ύψος μετατόπισης
Κατατομή του ανέμου σε ομοιογενείς επίπεδες περιοχές Αεροδρόμιο (ομοιογενείς επίπεδη περιοχή) - μετρήσεις ανέμου σε ύψος 10m 0 =0.07 u( 10) 2.5u * 10 ln 10 0.07 Για a u ) u(10) ln ( ) * ( 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( ) u(10) a ln 0 1 0.005 0.166 2 0.02 0.182 3 0.07 0.202 4 0.25 0.229 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 0.240 6 1 0.266
Κατατομή του ανέμου σε μη ομοιογενές πεδίο 1. Ανομοιόμορφη κατανομή εδαφικών χαρακτηριστικών 2. Μέγεθος εδαφικών χαρακτηριστικών ~ μέγεθος αιολικής μηχανής 2hB R 0.75 Εδαφικά εμπόδια: αν H \ για να αγνοηθούν θα πρέπει V2 ( ) a ln V (10) 01 02 R 6 H h B Ύψος εμποδίου 6 h B Τραχύτητα εδάφους, μοναχικά τεχνητά εμπόδια -> ελάττωση V Φυσικά εμπόδια -> ελάττωση ή αύξηση V 20 h B
Ποσοστό μεταβολής καθ ύψος της ταχύτητας του ανέμου
Κατατομή παρουσία εμποδίου Μορφή λόφου V ( ) V ( ) a 1 C 1 0.025ln L 0 H L ln L Πεδίο ροής ανέμου πάνω από ημιτονοειδή λόφο V V a ( ) ( ) 1 a1 x h m Διαχωρισμός ροής d/h α1 m 4 3.92 1. 48 3 2.13 1.37 1 0.72 1.18 0.25 0.095 0.97 Θόλος διαχωρισμού της ροής γύρω από κτίριο