Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.)

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) Ενότητα 5: Αιολικά Σπύρος Τσιώλης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη 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. 3

Σκοποί Ενότητας Ο στόχος της 4 ης ενότητας είναι απόκτηση γνώσεων στον τομέα της αιολικής ενέργειας που αφορούν στα χαρακτηριστικά του ανέμου, στην μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική και στις διαφορετικές τεχνολογίες των ανεμογεννητριών. Να μπορεί ο φοιτητής να επιλέξει την θέση εγκατάστασης ανεμογεννητριών και να υπολογίζει την ενεργειακή τους απόδοση. 4

Περιεχόμενα Ενότητας Ήπια ή «Αραιή» Μορφή Ενέργειας Αιολική Ενέργεια στην Ευρώπη Αιολική Ενέργεια στο Κόσμο Ο Άνεμος Δυνάμεις Coriolis Τοπικοί Άνεμοι Μέτρηση του Ανέμου Αιολικοί Χάρτες Ελλάδας, Κρήτης Κατανομή Weibull Ο Νόμος του Benz Εξέλιξη Α/Γ Αιολικά Πάρκα Επικρατέστεροι, Τύποι Α/Γ Καμπύλη Ισχύος Α/Γ 5

Αιολική Ενέργεια Εισαγωγή 1 6

Αιολική Ενέργεια Εισαγωγή 2 7

Αιολική Ενέργεια Εισαγωγή 3 Οφείλεται: Στην ηλιακή ακτινοβολία Ανομοιογένεια του ανάγλυφου του εδάφους Περιστροφή της γης γύρω από τον άξονά της Το 2% της ηλιακής ακτινοβολίας μετατρέπεται σε αιολική ενέργεια Ισχύς ανέμων στη γη: 3.616Χ10 9 MW 8

Αιολική Ενέργεια Εισαγωγή 4 Πανάρχαια χρησιμοποίηση: Ιστιοφόρα πλοία, ανεμόμυλοι, άντληση νερού Η χρήση ατόνησε στις αρχές του αιώνα Αναβίωσε μετά το 1973 (πετρελαϊκή κρίση) Ανταγωνιστική και με προοπτικές 9

Αιολική Ενέργεια Εισαγωγή 5 Ήπια ή «Αραιή» Μορφή Ενέργειας: Ανάλογη της πυκνότητας και της ταχύτητας 800 φορές μικρότερη του νερού Π.χ. τα 5 μποφώρ ή 9,5 m/s δίνουν 500 W/m 2 Απόδοση ανεμογεννήτριας (Α/Γ) <48% Απαιτούνται μεγάλες Α/Γ Αστείρευτη πηγή Δωρεάν πρώτη ύλη 10

Αιολική Ενέργεια Στατιστικά Ευρώπη: 11

Αιολική Ενέργεια Στατιστικά 1 Ευρώπη: 12

Αιολική Ενέργεια Στατιστικά 2 Κόσμος: 13

Αιολική Ενέργεια Στατιστικά 5 Ελλάδα: 16

Αιολική Ενέργεια Στατιστικά 6 Ελλάδα: 17

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 1 Ο Άνεμος: Η άνιση θέρμανση της επιφάνειας της γης 18

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 2 Δυνάμεις Coriolis: Δημιουργούνται Πλανητικοί άνεμοι με διευθύνσεις Latitude 90-60 N 60-30 N 30-0 N 0-30 S 30-60 S 60-90 S Direction NE SW NE SE NW SE 19

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 3 Τοπικοί Άνεμοι: Κοντά στη θάλασσα (θαλάσσια αύρα) Στις βουνοπλαγιές και κοιλάδες 20

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 4 Η Ενέργεια του Ανέμου: Εξαρτάται από την πυκνότητα του αέρα και την επιφάνεια της ανεμογεννήτριας Πυκνότητα αέρα 1,225 kg/m 3 21

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 5 Η ανεμογεννήτρια μετατρέπει την ενέργεια του ανέμου: Κινητική Μηχανική - Ηλεκτρική 22

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 6 Η ισχύς του ανέμου είναι ανάλογη της ταχύτητας στον κύβο: P ανέμου = ½ ρv 3 23

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 7 24

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 8 Μέτρηση του Ανέμου: Ανεμόμετρο, ανεμοδείκτης, θερμόμετρο 25

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 9 Μέτρηση του Ανέμου: Βαρόμετρο Υγρόμετρο 26

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 10 Μέτρηση του Ανέμου: Συλλογή μετρήσεων 27

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 11 Μέτρηση του Ανέμου: Ιστός 10 m Iστός 30 m 28

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 12 Μέτρηση του Ανέμου: Παρουσίαση αποτελεσμάτων των μετρήσεων, ροδόγραμμα 29

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 13 Τραχύτητα της επιφάνειας Εμπόδια 30

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 14 Μεταβολή της Ταχύτητας του Ανέμου: Τύρβη 31

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 15 Μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου Τύρβη 32

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 16 Εμπόδια: 33

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 17 Ενίσχυση του ανέμου λόγω μορφολογίας του εδάφους: 34

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 18 «Σκίαση» Αιολικό Πάρκο: 35

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 19 Επιλογή Θέσης: Αιολικός χάρτης, εξασφάλιση οικοπέδου, επιτόπου επίσκεψη, κοινωνικές αντιδράσεις, δίκτυο, μετρήσεις,. 36

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 20 Αιολικοί Χάρτες: 37

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 21 Αιολικός Χάρτης Ελλάδας: 38

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 22 Αιολικός Χάρτης Κρήτης: 39

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 23 Κατανομή Weibull: Μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου Όπου: c: παράμετρος κλίμακας [m/s] k: παράμετρος μορφής [αδιάστατη] 40

Αιολική Ενέργεια Άνεμος 24 Ο Νόμος του Benz: Μια Α/Γ μπορεί να μετατρέψει λιγότερο από τα 16/27 (ή 59%) της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε μηχανική. 41

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 1 Εξέλιξη Α/Γ: 42

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 4 Αιολικά Πάρκα: 45

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 5 Αιολικά Πάρκα: 46

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 6 Offshore: 47

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 7 Τύποι Α/Γ, Επικρατέστεροι: 48

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 8 Α/Γ Κάθετου Άξονα: 49

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 9 Α/Γ Κάθετου Άξονα: 50

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 10 Άλλοι Τύποι Α/Γ: 51

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 11 Άλλοι Τύποι Α/Γ: 52

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 12 Απόδοση Α/Γ: Ιδανική καμπύλη ισχύος 53

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 13 Τα μέρη της Α/Γ: 54

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 14 Α/Γ οριζοντίου Άξονα: 55

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 15 Α/Γ Οριζοντίου Άξονα: 56

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 16 Α/Γ οριζοντίου Άξονα Πτερύγια: 57

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 17 Αεροδυναμική (όπως τα πτερύγια αεροπλάνου): 58

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 18 Πτερύγια: Glass fibre reinforced plastics, (GRP) Πλαστικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού 59

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 19 Α/Γ οριζοντίου άξονα Πτερύγια: 60

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 20 Α/Γ οριζοντίου άξονα Πτερύγια: 61

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 21 Α/Γ Οριζοντίου Άξονα Πτερύγια: 62

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 22 Φρένο Σύστημα Προσανατολισμού: 63

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 23 Πύργος Θεμελίωση: 64

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 24 Ισχύς Α/Γ: 65

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 25 Ισχύς Ανέμου: Ε Α/Γ Ε m1 Ε m2 Ε wind P = m E t [W] = ρ A v [kg] Ewind = 2 0,5 m v [J] C p η gb η g 3 P = 0,5 ρ A v [W] wind 66

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 26 Ισχύς Α/Γ: 1 3 Pwind = ρ Α V [W] 2 1 3 Pm = CP ρ Α V [W] 2 P wind 1 3 PΑΓ / = CP ρ Α V ηgb ηg [W] 2 C p P m1 η gb P m2 η g P Α/Γ Όπου: P αν : Ισχύς ανέμου [W] ρ : Πυκνότητα ανέμου =1,25 kg/m 3 A : Επιφάνεια σάρωσης δρομέα [m 2 ] V : Ταχύτητα ανέμου [m/s] C p : Αεροδυναμικός συντελεστής P m : Μηχανική Ισχύς [W] P wt : Ισχύς Α/Γ [W] η g : Απόδοση ηλεκτρογεννήτριας η gb : Απόδοση κιβωτίου ταχυτήτων 67

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 27 Αεροδυναμικός Συντελεστής C p : Cp = f( βλ, ) λ= ω R v Όπου: β : Γωνία πτερυγίων V : Γωνιακή ταχύτητα δρομέα R : Ακτίνα δρομέα v : Ταχύτητα ανέμου

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 28 Αεροδυναμικός Συντελεστής C p : C = f( βλ, ) p λ= ω R v Όπου: β: Γωνία πτερυγίων ω: Γωνιακή ταχύτητα δρομέα R: Ακτίνα δρομέα

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 29 Καμπύλη Ισχύος Α/Γ: 70

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 30 Ετήσια Ενέργεια Α/Γ: 71

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 31 Ετήσια Ενέργεια Α/Γ 72

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 32 Ετήσια Ενέργεια Α/Γ: 73

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 33 Ετήσια Παραγόμενη Ενέργεια (ΕΠΕ) από Α/Γ υπολογισμός. ΕΠΕ = j= 20 j= 5 P j h j [kwh] Όπου: P j = Η ισχύς στην αντίστοιχη ταχύτητα ανέμου h j = Το πλήθος των ωρών στο έτος με αντίστοιχη ταχύτητα ανέμου 74

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 34 Έλεγχος Ισχύος: Αεροδυναμικός (Stall) Βήματος πτερυγίων (Pitch) Περιστροφής ατράκτου (Yaw) 75

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 35 Ηλεκτρικό Σύστημα: Γεννήτρια: Ασύγχρονη Σύγχρονη Μετασχηματιστής Σύστημα ελέγχου Αυτοματισμοί Γείωση Αντικεραυνική προστασία 76

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 36 Λειτουργία με Μεταβλητές Στροφές: Όπου: R: Η ακτίνα του δρομέα Ω: Η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής v: Η ταχύτητα του ανέμου ω R λ = v ταχ ύτητα ακροπτερυγίου ταχύτητα ανέµου 77

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 37 Λειτουργία με Μεταβλητές Στροφές: Πλεονεκτήματα: Αύξηση παραγόμενης ενέργειας Μείωση της καταπόνησης Μείωση του θορύβου Μειονέκτημα: Αύξηση του κόστους 78

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 38 Ασύγχρονη γεννήτρια Σταθερές στροφές Stall control 79

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 39 Ασύγχρονη γεννήτρια Σταθερές στροφές Pitch control 80

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 40 Ασύγχρονη γεννήτρια Μεταβλητές στροφές Pitch control 81

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 41 Ασύγχρονη γεννήτρια Μεταβλητές στροφές Pitch control 82

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 42 Σύγχρονη γεννήτρια Μεταβλητές στροφές Pitch control Γεννήτρια με μόνιμους μαγνήτες Μεταβλητές στροφές Pitch control 83

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 43 Ασύγχρονη γεννήτρια με τύλιγμα στο δρομέα Μεταβλητές στροφές Pitch control 84

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 44 Αιολικό πάρκο Ασύγχρονες γεννήτριες Μεταβλητές στροφές Pitch control 85

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 45 Σύστημα ελέγχου στροφών Γεννήτρια με σταθερούς μαγνήτες Pitch control ή Stall control 86

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 46 ω R λ = v Cp - λ Καμπύλη 87

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 47 ΕΠΕ (Ετήσια Παραγόμενη Ενέργεια): Υπολογισμός Ανεμολογικά δεδομένα Καμπύλη Ισχύος Α/Γ (1 MW) 600 1200 500 1000 Χρόνος [Ώρες] 400 300 200 Ισχύς [kw] 800 600 400 100 200 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Ταχύτητα ανέμου [m/s] Ταχύτητα ανέμου [m/s] 88

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 48 Speed[m/s] Power[kW] Time[h] 1 21 24 1000 140 0 2 69 260 3 22 130 1000 360 0 4 219 410 5 23 334 1000 460 0 6 463 515 7 24 598 1000 500 0 8 25 730 1000 480 0 9 846 370 10 26 929 0 270 0 11 973 210 12 27 991 0 130 0 13 997 80 14 28 999 0 40 0 15 999 25 16 29 1000 0 20 0 17 30 1000 0 10 0 18 1000 5 19 1000 2 20 1000 1 89

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 49 Υπολογισμός ΕΠΕ: Speed[m/s] Power[kW] Time[h] Ενέργεια [kwh] 1 24 140 3360 2 69 260 17940 3 130 360 46800 4 219 410 89790 5 334 460 153640 6 463 515 238445 7 598 500 299000 8 730 480 350400 9 846 370 313020 10 929 270 250830 11 973 210 204330 12 991 130 128830 13 997 80 79760 14 999 40 39960 15 999 25 24975 16 1000 20 20000 17 1000 10 10000 18 1000 5 5000 19 1000 2 2000 20 1000 1 1000 21 1000 0 2279080 90

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 50 Μεταβολή Ταχύτητας Ανέμου Καθ Ύψος: 91

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 51α Τραχύτητα Εδάφους: 92

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 51 Τραχύτητα Εδάφους: 93

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 54 96

Αιολική Ενέργεια Α/Γ 55 97

Τέλος Ενότητας