4.1 Στατιστική Ανάλυση και Χαρακτηριστικά Ανέμου

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 4.1 Στατιστική Ανάλυση και Χαρακτηριστικά Ανέμου Μηνάς Αλεξιάδης Λέκτορας, ΤΗΜΜΥ, ΑΠΘ minalex@auth.gr

Περιεχόμενα (Μάθημα 4-1) Εισαγωγή (Άνεμος και Ατμοσφαιρική Κυκλοφορία) Γεωστροφικός άνεμος κλπ Ένταση του Ανέμου (μέση τιμή, ριπές, φασματική ανάλυση κλπ) Μονάδες ανέμου και Κλίμακα Beaufort Επεξεργασία ανεμολογικών δεδομένων (καμπύλες διάρκειας, κατανομής, ροδογράμματα, εποχικά χαρακτηριστικά κλπ) Κατανομές Weibull, Rayleigh κλπ Πώς αποτυπώνεται το αιολικό δυναμικό, όχι μόνο με μέση τιμή αλλά και με τους δείκτες c, k των παραπάνω κατανομών Χωρική μεταβολή του ανέμου, επίδραση τραχύτητας του εδάφους Επίδραση επιφανειακών εμποδίων και τοπογραφικού ανάγλυφου (Hill effect, tunnel effect κλπ) 2

Περιεχόμενα (Μάθημα 4-2) Πληροφοριακά: Χάρτες αιολικού δυναμικού (σε Ελλάδα και Ευρώπη) Επίδραση ύψους, ανάγλυφου κλπ Στροβιλισμοί, αναταράξεις ανέμου Μέτρηση έντασης και διεύθυνσης του ανέμου (Ανεμόμετρα, ανεμούρια, τριαξονικοί ανεμογράφοι κλπ) Προδιαγραφές μετρήσεων Παράδειγμα Προμελέτης Αιολικής Εγκατάστασης (χάρτης αιολικού δυναμικού, αποκλεισμός περιοχών με κριτήρια οπτικής, ηχητικής όχλησης, NATURA, τεχνοοικονομικά κλπ) και κατάληξη σε συγκεκριμένες θέσεις εγκατάστασης Σχετικά πακέτα λογισμικού Θέματα προσομοίωσης & βραχυπρόθεσμης πρόβλεψης ανέμων 3

Άνεμος Κάθε μετακίνηση του ατμοσφαιρικού αέρα πάνω στη επιφάνεια της γης ανεξαρτήτως κατεύθυνσης. Η κίνηση του ατμοσφαιρικού αέρα μπορεί να αναλυθεί σε δυο συνιστώσες, την οριζόντια και την κατακόρυφη. Η οριζόντια συνιστώσα, η οποία συνήθως αναφέρεται ως άνεμος, ορίζει και τη διεύθυνσή του, βάσει του σημείου του ορίζοντα από το οποίο πνέει. Όσον αφορά την κατακόρυφη συνιστώσα, η οποία αναφέρεται ως ρεύμα, χαρακτηρίζει τον άνεμο ως ανοδικό ή καθοδικό 4

Αιολική Ενέργεια Η αιολική ενέργεια είναι η κινητική ενέργεια του κινούμενου αέρα. Προσεγγιστικά το 2% της ηλιακής ενέργειας που φτάνει τη γη μετατρέπεται σε αιολική ενέργεια. Η ακανόνιστη θέρμανση της επιφάνειας της γης από τον ήλιο προκαλεί τους ανέμους. Η θερμότητα που απορροφάται από το έδαφος ή το νερό μεταφέρεται στον αέρα, όπου προκαλεί διαφορές στη θερμοκρασία, την πυκνότητα και την πίεσή του. Με τη σειρά τους οι διαφορές αυτές προκαλούν δυνάμεις που ωθούν τον αέρα προς διάφορες κατευθύνσεις. Σύμφωνα με τη μηχανική των ρευστών, ο αέρας κινείται από τις υψηλής πίεσης προς τις χαμηλής πίεσης περιοχές του πλανήτη. 5

Θερμικά Αίτια Συγκεκριμένα, ο αέρας κινείται λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ δυο διαφορετικών αέριων μαζών. Προκαλείται με την ανώμαλη θέρμανση της γήινης επιφάνειας από τον ήλιο καθ όλη τη διάρκεια του 24ωρου. εδομένου ότι η γήινη επιφάνεια αποτελείται από ξηρά και νερό, ερήμους και δάση, η επιφάνεια απορροφά τη θερμότητα του ήλιου διαφορετικά σε κάθε περίπτωση. Οι πιο δροσερές μάζες αέρα που είναι και βαρύτερες, παίρνουν τη θέση του θερμότερου αέρα, ο οποίος ανεβαίνει ψηλότερα. ηλαδή σε μια περιοχή που ο αέρας είναι θερμός, παρατηρούμε χαμηλή πίεση, ενώ, αντίθετα, σε μια περιοχή με κρύο υπάρχει υψηλή πίεση. Ο αέρας, για να γεμίσει τα κενά του, δημιουργεί ένα ρεύμα από την περιοχή με υψηλή ατμοσφαιρική πίεση προς την περιοχή όπου η πίεση είναι χαμηλή. Έτσι, στη Γη τα ρεύματα του αέρα ταξιδεύουν από τις κρύες περιοχές προς τις θερμές. 6

Αληγείς & Ανταληγείς Άνεμοι Σε παγκόσμια κλίμακα η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των τροπικών και των πόλων προκαλεί τους αληγείς ανέμους, οι οποίοι δρουν ως γιγαντιαίος εναλλάκτης θερμότητας εμποδίζοντας την περαιτέρω θέρμανση του ισημερινού και ψύξη των πόλων. Σε πολύ μικρότερη κλίμακα, οι διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ του εδάφους και της θάλασσας και μεταξύ των βουνών και των κοιλάδων δημιουργούν συχνά ισχυρές αύρες. Η κατεύθυνση και η ταχύτητα του ανέμου επηρεάζονται επίσης και από άλλλους παράγοντες όπως είναι η περιστροφή της γης, τα τοπικά τοπογραφικά χαρακτηριστικά και η τραχύτητα του εδάφους. 7

υνάμεις Οι δυνάμεις που καθορίζουν την κίνηση των αέριων μαζών είναι: - Η δύναμη βαροβαθμίδας, η οποία ασκείται εξαιτίας των διαφορετικών πιέσεων που υπάρχουν σε μία αέρια μάζα και την ωθεί προς τις χαμηλότερες πιέσεις. - Η δύναμη Coriolis, η οποία ασκείται σε κάθε σώμα πάνω στη γη. - Η δύναμη τριβής, η οποία αναπτύσσεται εξαιτίας της τραχύτητας που παρουσιάζει η επιφάνεια του εδάφους και της θάλασσας. - Η φυγόκεντρη δύναμη, η οποία ασκείται σε κάθε σώμα που κινείται κυκλικά. Αποτέλεσμα συνδυασμού σε κάθε περίπτωση αυτών των δυνάμεων είναι διάφοροι τύποι ανέμου όπως είναι ο γεωστροφικός άνεμος, ο άνεμος βαροβαθμίδας, η θαλάσσια αύρα, η απόγεια αύρα, τα μελτέμια και άλλοι. 8

Ετησίες (Μελτέμια) 9

Θερμοκρασιακές ιαφορές ιαφορετική Ηλιακή Ακτινοβολία στα διαφορετικά μέρη του Πλανήτη ιαφορετική θερμοκρασία Ισημερινού και Πόλων Ψυχροί Επιφανειακοί Άνεμοι από τους πόλους προς τον Ισημερινό για να αντικαταστήσουν το θερμό αέρα που ανυψώνεται (λόγω μείωσης της πυκνότητάς του) κα ο οποίος κινείται μέσω της ανώτερης ατμόσφαιρας προς τους πόλους 10

Και η περιστροφή της Γης Η περιστροφή της Γης (προς τα ανατολικά) προκαλεί (σχετική) κίνηση ψυχρών μαζών προς τα δυτικά και μετακίνηση θερμού αέρα προς τα ανατολικά Η ανομοιομορφία θερμικής συμπεριφοράς μεταξύ ξηράς και θάλασσας δημιουργεί πεδία στατικής πίεσης και ζώνες διαφορετικής θερμοκρασίας 11

Κέντρα Χαμηλής Πίεσης (κυκλώνες) Κέντρα Υψηλής Πίεσης (αντικυκλώνες) Ανταληγείς Αληγείς Βορείου Ημισφαιρίου Αληγείς Νοτίου Ημισφαιρίου Ανταληγείς 12

Επίδραση Αναγλύφου Θερμοκρασιακές ιαφορές νύχτα Πλαγιές Νότιου προσανατολισμού ημέρα νύχτα ημέρα Θαλάσσια αύρα (Παράκτιες περιοχές) Καταβατικοί άνεμοι (Ορεινοί όγκοι) 14

Επιφανειακοί Άνεμοι Οριακό στρώμα ατμόσφαιρας (200 m 2 km) Εμπόδια- Τραχύτητα εδάφους ημιουργία τύρβης (στροβιλισμοί) Συνισταμένη συμβάντων μεγάλης κλίμακας & τοπικών συνθηκών 15

Οριακό Στρώμα Ατμόσφαιρας Σε ποιο ύψος βρίσκεται; 16

Μεταβολή Ταχύτητας με το ύψος - Ριπές h uref h ref U(Z)/U(H)=(Z/H) a u h a=συντελεστής τραχύτητας εδάφους 0,1 (θάλασσα), 0,13 (χαμηλό χόρτο), 0,2 (υψηλό χόρτο), 0,3 (προάστια πόλης) 17

Ένταση του Ανέμου Μέση Τιμή: Προκύπτει από ολοκλήρωμα της ταχύτητας σε ένα διάστημα t που συνήθως είναι 5-15 min έως 1 hour. Ριπή: Αναφέρεται σε ακραία υψηλή τιμή του ανέμου που έχει σύντομη διάρκεια (<20 sec) και είναι παροδική (δηλ ο άνεμος επανέρχεται στην ίδια μέση τιμή). Για να μιλούμε για ριπή ο άνεμος θα πρέπει να είναι υψηλός (U>9 m/s) και U>4,5 m/s Οι ριπές λαμβάνονται σοβαρά υπόψη για τη κατασκευαστική αντοχή του πύργου στήριξης της Α/Γ και τη μέγιστη φόρτιση των πτερυγίων. 18

Φάσμα Συχνοτήτων Ανέμου Μεταβολές ~sec (Καταπονήσεις Α/Γ, ιαταραχές δικτύου) Μεταβολές ~15 min (Βραχυπρόθεσμος ενεργ. σχεδιασμός) Μέσες ωριαίες τιμές (Εκτίμηση ενεργειακού περιεχομένου) 19

Χρονοσειρά του Ανέμου Ταχύτητα Ανέμου (δείγμα 5 ημερών) Ημερήσιο προφίλ Μη Στασιμότητα Αμελητέα (μη εκμεταλλεύσιμη) ημερήσια περιοδικότητα Έντονη τοπικότητα 20

Ισχύς Ανέμου Ροή Κινητικής Ενέργειας P a = (1/2) (m/t) U 2 = (1/2) (ραu) U 2 = (1/2) ρau 3 A = επιφάνεια κινούμενης μάζας (m 2 ) ρ = πυκνότητα αέρα (kg/m 3 ) ~1,25 kg/m 3 ραu=μάζα κινούμενου αέρα (kg/sec) Μηχανική Ισχύς P m =c p P a c p =αεροδυναμικός συντελεστής c p = f (U, β) Ωφέλιμη Μηχανική Ισχύς Α/Κ (Νόμος Betz: c p,max =0,59) 21

Κλίμακα Beaufort 22

Κλίμακα Beaufort 23

Σχέση Ταχύτητας- Ισχύος Ανεμογεννήτρια (μέσες ωριαίες τιμές) (προδιαγραφές) Wind Power (MW) 12 10 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25-2 Wind Speed (m/s) Αιολικό Πάρκο (τιμές δεκαλέπτου) 24

Κατανομή Weibull Παράμετροι k, c ή Α (εξαρτώνται από μέση τιμή και τυπική απόκλιση) 25

Κατανομή Weibull Παράμετροι k, c (εξαρτώνται από μέση τιμή και τυπική απόκλιση) μέση ταχύτητα ανέμου 8 m/s 26

Κατανομή Rayleigh Συνάρτηση μόνο της μέσης τιμής 27

Σχέση Ταχύτητας- Ισχύος ιάγραμμα Κατανομής Ταχύτητα Ανέμου Ισχύς Αιολικού Πάρκου 9 8 7 6 5 % 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 Wind speed (m/s) 10 7,5 % 5 2,5 0-2 0 2 4 6 8 10 12 Wind power (MW) 28

Ροδόγραμμα Ανέμου 29

Μετρήσεις Ανέμου Μια ομαλή επιφάνεια πέριξ του Θερμαϊκού Κόλπου 30

Μετρήσεις Ανέμου Πολύπλοκο ανάγλυφο (Σητεία) 31

Μετρήσεις Ανέμου Πολύπλοκο ανάγλυφο (Ρέθυμνο) 32

Εμπόδια-Σκίαση Α/Γ Μείωση ταχύτητας ανέμου Μείωση ισχύος 33

Εμπόδια-Σκίαση Α/Γ Εξασθένηση ταχύτητας Τύρβη 1= ιάμετρος ρότορα 34

Συμπίεση-Ενίσχυση Ανέμου «Σήραγγα» «Ύψωμα» 35

Τίτλος (Font: Arial) Κείμενο.. (Font: Arial) 36