Υδροµετεωρολογία Αιολική ενέργεια Νίκος Μαµάσης και ηµήτρης Κουτσογιάννης Τοµέας Υδατικών Πόρων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα
ΙΑΡΘΡΩΣΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αιολική ονοµάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκµετάλλευση του πνέοντος ανέµου Χρησιµοποιείται από την αρχαιότητα στη ναυσιπλοΐα Πρόκειται για ανανεώσιµη πηγή ενέργειας, µε ανεξάντλητη και χωρίς κόστος πρώτη ύλη που δεν ρυπαίνει το περιβάλλον Αξιοποιείται στην παραγωγή µηχανικής (αλευρόµυλοι, άντληση υπόγειων νερών, αποστράγγιση) και ηλεκτρικής (ανεµογεννήτριες) ενέργειας Το όνοµα προέρχεται από την ελληνική µυθολογία. Ο Αίολος είχε οριστεί από τον ια κλειδοκράτορας τον ανέµων και τους προκαλούσε ή τους σταµατούσε κατά βούληση. Οι οκτώ άνεµοι ήταν: Βορέας, Καικίας, Απηλιώτης, Εύρος, Νότος, Λιψ, Ζέφυρος, Σκίρων Κατόπιν φτάσαµε σε ένα νησί, την Αιολία, ένα νησί που ζούσε ο Αίολος, γιός του Ιπποτάδη, φίλος των αθάνατων θεών. Το νησί ήταν πλωτό ζωσµένο από άρρηκτα χάλκινα τείχη, που υψώνονταν κατακόρυφα στα βράχια (Οδύσσεια.)
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η πρώτη χρήση αιολικής ενέργειας έγινε στη ναυσιπλοΐα, ενώ οι πρώτοι ανεµόµυλοι χρησιµοποιήθηκαν για άλεσµα δηµητριακών και άντληση νερού. Οι αρχαιότεροι ανεµόµυλοι (κατακόρυφου άξονα) κατασκευάστηκαν στην Περσία τον 6 ο έως τον 9 ο αιώνα µ.χ., ενώ η πρώτη γραπτή αναφορά γίνεται στην Κίνα το 3 ο αιώνα µ.χ. Στην Ευρώπη αναπτύχθηκαν διάφορα είδη ανεµόµυλου (οριζόντιου άξονα) από τον 3 ο αιώνα και πιθανόν οι νερόµυλοι να αποτέλεσαν πρότυπο για την κατασκευή τους Το 7 ο αιώνα η τεχνολογία µεταφέρεται στην Αµερική όπου οι ανεµόµυλοι χρησιµοποιήθηκαν κυρίως για άντληση νερού Στην Ελλάδα (ειδικότερα στο Αιγαίο) ηχρήσηανεµοµύλων χρονολογείται από το 3ο αιώνα. Το 96 υπήρχαν ανεµόµυλοι στο Οροπέδιο Λασιθίου, 5 στην υπόλοιπη Κρήτη, και 6 στη Ρόδο Ο πρώτος ανεµόµυλος για παραγωγή ηλεκτρισµού κατασκευάστηκε το 888 στο Cleveland του Ohio. Είχε διάµετρο πτερωτής 7 µέτρα και ισχύ kw Σήµεραη ανίαχώραπλούσιασεαιολικόδυναµικό έχει τα πρωτεία στην κατασκευή αλλά και στην χρήση ανεµογεννητριών Πριν 3 χρόνια, µια τυπική ανεµογεννήτρια ήταν της τάξης των 5 kw. Σήµερα, οι αιολικές µηχανές που κατασκευάζονται είναι της τάξης των 75-5 kw
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πλεονεκτήµατα αιολικής ενέργειας Ανεξαρτησία από ορυκτά καύσιµα (δεν επιβαρύνει το περιβάλλον µεαέριους ρύπους, παρέχει προστασία έναντι της αστάθειας τιµών των ορυκτών καυσίµων) Ιδιαίτερα φιλική στο περιβάλλον µεαµελητέες επιδράσεις στη πανίδα και ελάχιστες απαιτήσεις γης Τεχνολογικά ώριµη, οικονοµικά ανταγωνιστική, γρήγορη και τυποποιηµένη συναρµολόγηση και εγκατάσταση Χαµηλό λειτουργικό κόστος Ελεύθερη, άφθονη και ανεξάντλητη πηγή ενέργειας Βοηθά στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήµατος µειώνοντας απώλειες µεταφοράς ενέργειας Ενισχύει την ενεργειακή ανεξαρτησία κάθε χώρας ηµιουργεί θέσεις απασχόλησης στην περιφέρεια Σύστηµα παραγωγής ενέργειας µε µικρές απώλειες Ανεξάρτητη από κεντρικά δίκτυα διανοµής
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μειονεκτήµατα αιολικής ενέργειας Οεκπεµπόµενος θόρυβος προέρχεται από τα περιστρεφόµενα µηχανικά τµήµατα και από την περιστροφή των πτερυγίων. Εκτιµάται σε περίπου 44 db σε απόσταση m για ταχύτητα ανέµου 8 m/s Η οπτική όχληση είναι κάτι υποκειµενικό αλλά κάποιος που είναι ευνοïκά διακείµενος απέναντι στην ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας, αποδέχεται οπτικά τις ανεµογεννήτριες. εδοµένου ότι οι ανεµογεννήτριες είναι ορατές από απόσταση, πρέπει να γίνεται προσπάθεια ενσωµάτωσης τους στο τοπίο. Η επίδραση στις γεωργικές και κτηνοτροφικές δραστηριότητες. Το 99% της γης που φιλοξενεί ένα αιολικό πάρκο είναι διαθέσιµο για άλλες χρήσεις. Το ποσοστό των πουλιών που σκοτώνονται ετησίως από πρόσκρουση σε ανεµογεννήτριες είναι ασήµαντο (.5%) σχετικά µε το αυτό που οφείλεται σε πρόσκρουση µεοχήµατα και τις γραµµές µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (6%). Πάντως θα πρέπει να λαµβάνονται υπόψη στη χωροθέτηση τυχόν προστατευόµενες περιοχές και να εξετάζεται η τοποθέτηση συστήµατος υπερήχων Η απρόβλεπτη διακύµανση ενέργειας που δίνουν οι αιολικές µηχανές Σχετικά υψηλό κόστος έρευνας του αιολικού δυναµικού και εγκατάστασης της µηχανής
ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ Πύργος των Ανέµων Το επίσηµο όνοµαείναιωρολόγιο του Κυρρήστου, (το κατασκεύασε ο Ανδρόνικος ο Κύρρηστος τον ο αιώνα π.χ.). Είχε ανεµοδείκτη, ηλιακό ρολόι και ίσως υδραυλικό ρολόι) Αναπαράσταση του Πύργου των Ανέµων (J. Stuart & N.Revett)
Σκίρων (Μαΐστρος) ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ Βορέας (Τραµουντάνα) Καικίας (Γραίγος) Ζέφυρος (Πουνέντες) Οι οκτώ βοηθοί του Αιόλου απεικονίζονται στον πύργο των Αέρηδων (κτίσµατου ου π.χ. αιώνα) στην Πλάκα. Απηλιώτης (Λεβάντες) Λιψ (Γαρµπής) Νότος (Όστρια) Εύρος (Σιρόκος)
Αντίγραφο του πρώτου Περσικού µύλου ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ Μεσογειακός Αµερικάνικος (8 oς αιώνας)
ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ανικός Ολλανδικός Αγγλικός
ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Θεωρητική αιολική ισχύς I= E / t = (/) mv / t = (/) ρ LAV / t = (/) ραv 3 I αιολική ισχύς (W) E κινητική eνέργεια (J) t χρόνος (s) m µάζα αέρα (kg) V ταχύτητα ανέµου (m/s) ρ πυκνότητα αέρα (kg/m 3 ) A επιφάνεια αναφοράς (m ) L διαδροµή ανέµου σε χρόνο t (m) A (m ) V (m/s) L (m) Ονοµαστική ισχύς ανεµογεννήτριας I = (/) C η Μ η Ε ραv 3 C η Μ η H συντελεστής ισχύος βαθµός απόδοσης µηχανικού συστήµατος βαθµός απόδοσης ηλεκτροµηχανικής µετατροπής
ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (kw) 4 3 ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Θεωρητική αιολική ισχύς συναρτήσει της ταχύτητας Πυκνότητα αέρα:.5 kg/m 3 5 5 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ιάµετρος: 3 m ιάµετρος: m ιάµετρος: m Θεωρητική ισχύς συναρτήσει της διαµέτρου (ταχύτητα m/s) D = m D = m D = m I =.48 kw I =48. kw I =4.8 MW Θεωρητική Ισχύς (kw). ιάµετρος (m)
ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Θεωρητική αιολική ενέργεια για D= m ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ 6 8 4 6 8 4 ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) Ισοκατανοµή ταχυτήτων ανέµου Συνολική ενέργεια: 99 kwh/y Μέση τιµή ταχύτητας: m/s Ενέργεια µέσης τιµής: 43 kwh/y ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ 6 8 4 3 4 5 6 7 8 9 34567 89 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 6 8 4 ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) Συµµετρική κατανοµή ταχυτήτων ανέµου Συνολική ενέργεια: 74 kwh/y Μέση τιµή ταχύτητας:.5 m/s Ενέργεια µέσης τιµής: 4877 kwh/y ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ 6 8 4 3 4 5 6 7 8 9 3456 789 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 6 8 4 ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh) Τυπική κατανοµή ταχυτήτων ανέµου Συνολική ενέργεια: 57 kwh/y Μέση τιµή ταχύτητας: 7. m/s Ενέργεια µέσης τιµής: 58 kwh/y 3 4 5 6 7 8 9 3456 789 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s)
ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Όριο Betz Σε αυτοκινητόδροµο µε συνεχή ροή τα αυτοκίνητα εισέρχονται σε σταθµό διοδίωνµε ταχύτητα V= m/s και εξέρχονται µεταχύτητα(v) που είναι συνάρτηση της τιµής των διοδίων Τ (<=T<= EURO) και δίδεται από τη σχέση V (m/s)=-t. Ποια είναι η τιµή των διοδίων που µεγιστοποιεί τις ηµερήσιες εισπράξεις; ιόδια Ταχύτητα εισόδου:v = m/s Ταχύτητα εξόδου: V =-T m/s Τιµή (Τ): - EURO Εισπράξεις (EURO/h) ΙΟ ΙΑ (EURO) 8 6 4 3 4 5 6 7 8 9 ΤΑΧΥΤΗΤΑ (m/s) ΕΙΣΠΡΑΞΕΙΣ (EURO) 8 6 4 3 4 5 6 7 8 9 ΤΑΧΥΤΗΤΑ (m/s)
Κινητική ενέργεια εισόδου Ε =.5* m* V ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Όριο Betz A Κινητική ενέργεια εξόδου V A V V Ε =.5* m * V de = ( V ).5* m * V m = ρ * Α * L dm = ρ * Α * V dt Ισχύς µε βάση την κινητική ενέργεια I A di A V d V =.5* ρ * Α * V V = 3* ) V * 3 V + V V + * V V V de dm = I.5* ( V V ) I.5* * * V * ( V V dt A = A = ρ Α A dt V V ( ( V ) V A =.5* + V I A MAX V = V 6 = *.5* ρ * Α* V 7 3 3 = 3 Ισχύς...3.4.5.6.7.8.9 V/V )
ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Οριζοντίου άξονα
ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Υπεράκτια αιολικά πάρκα
ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Κοπεγχάγη
ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Κατακορύφου άξονα Η κατακόρυφη ανεµογεννήτρια του σχήµατος είναι η πιο διαδεδοµένη. Ονοµάζεται Darrieus από τον Γάλλο µηχανικό που την κατοχύρωσε το 93. Πλεονεκτήµατα δεν χρειάζονται σύστηµα προσανατολισµού ηηλεκτρική γεννήτρια είναι στο έδαφος Μειονεκτήµατα εκµεταλλεύονται µικρότερες ταχύτητες ανέµου (αφού είναι κοντά στο έδαφος) έχουν µικρότερο συντελεστή ισχύος η στερέωση στο έδαφος απαιτεί εγκαταστάσεις που καταλαµβάνουν µεγάλο εµβαδόν
ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Κύρια µέρη Πύργος. Είναι κυλινδρικής µορφής κατασκευασµένος από χάλυβα και συνήθως αποτελείται από δύο η τρία συνδεδεµένα τµήµατα. Θάλαµος που περιέχει τα µηχανικά υποσυστήµατα (κύριος άξονας, σύστηµα πέδησης, κιβώτιο ταχυτήτων ηλεκτρογεννήτρια) Ο κύριος άξονας µε τοσύστηµα πέδησης είναι παρόµοιος µε τον άξονα των τροχών ενός αυτοκινήτου µε υδραυλικά δισκόφρενα. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι παρόµοιας κατασκευής µε εκείνο του αυτοκινήτου µε την διαφορά ότι έχει µόνον µια σχέση. Η ηλεκτρογεννήτρια είναι παρόµοια µεαυτέςπουχρησιµοποιούνται στους σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη. Ηλεκτρονικά συστήµατα ελέγχου ασφαλούς λειτουργίας. Αποτελούνται από ένα η περισσότερα υποσυστήµατα µικροελεγκτών και εξασφαλίζουν την εύρυθµη και ασφαλή λειτουργία της ανεµογεννήτριας σε όλες τις συνθήκες. Πτερύγια. Είναι κατασκευασµένα από σύνθετα υλικά (υαλονήµατα και ειδικές ρητίνες), σχεδιασµένα για να αντέχουν σε µεγάλες καταπονήσεις
Χαρακτηριστικά µεγέθη. ιάµετρος της πτερωτής D. Ύψος τοποθέτησης Η Συνήθως <Η/D<.5 3. Πλήθος των πτερυγίων Έχουν επικρατήσει οι αιολικές µηχανές µε 3 πτερύγια. Με λιγότερα πτερύγια ( ή ) απαιτείται µεγαλύτερη ταχύτητα περιστροφής για το ίδιο ενεργειακό αποτέλεσµα που συνεπάγεται περισσότερο θόρυβο και φθορές, µε µόνο πλεονέκτηµα τοµικρότερο κόστος. 4. Είδος των πτερυγίων (πάχος, υλικό) Οι πολύ συµπαγείς πτερωτές (πολλά ή φαρδιά πτερύγια) σηµαίνει ότι ξεκινάνε τη λειτουργία τους µε µικρές ταχύτητες ανέµου αλλά θα πρέπει να βγαίνουν εκτός λειτουργίας στις µεγάλες ταχύτητες Κλασικό παράδειγµα τέτοιωνανεµοµύλων αποτελούν οι αµερικανικοί του 8 ου αιώνα οι οποίοι αντλούσαν σταθερά µικρή ποσότητα νερού όλο το χρόνο. 5. Ονοµαστική ταχύτητα περιστροφής Συνδέεται µε παράγοντες όπως η συχνότητα του ηλεκτρικού δικτύου και η αντοχή των πτερυγίων σε φυγόκεντρες τάσεις. 6. Συντελεστής ισχύος C Υπολογίζεται από το πηλίκο της παραγόµενης ηλεκτρικής ισχύος προς την εισερχόµενη ενέργεια του αέρα. Ουσιαστικά είναι ο αεροδυναµικός βαθµός απόδοσης πτερωτής και έχει µέγιστο όριο την τιµή C<=6/7=.593 (όριο Betz, 99). Πρακτικά στην περίπτωση καλού σχεδιασµού ο συντελεστής κυµαίνεται στο.35. 7. Ονοµαστική ισχύς ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ
ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Καµπύλεςισχύοςανεµογεννήτριας 3 5 ΙΣΧΥΣ (kw) 5 5 Ταχύτητα που σταµατάει η πτερωτή να περιστρέφεται για να µην καταστραφεί Ταχύτητα που η γεννήτρια αρχίζει να παράγει ρεύµα 5 5 5 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) Οι καµπύλες ισχύος συνήθως εκτιµώνται εµπειρικά, από µετρήσεις πεδίου της ταχύτητας ανέµου µε ανεµόµετρο και της παραγόµενης ηλεκτρικής ισχύος. Υπάρχουν αβεβαιότητες στην εκτίµηση των καµπυλών που σχετίζονται µε: (α) τη µέτρηση της ταχύτητας και (β) την ποσότητα του αέρα που εισέρχεται στην πτερωτή
Συντελεστής ισχύος (Power coefficient).5 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Ο λόγος της ισχύος που παράγει η ανεµογεννήτρια σε κάθε ταχύτητα ανέµου, προς τη θεωρητική. ιακύµανση συντελεστή ισχύος τυπικής ανεµογεννήτριας σε σχέση µε την ταχύτητα ανέµου.5 m/s Τα χαρακτηριστικά της ανεµογεννήτριας όπως η έναρξη-λήξη λειτουργίας και µέγιστη τιµή (.45) είναι επιλογή των κατασκευαστών της
Μοντέλο Μέγιστη ισχύς (kw) ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Zeus 5/4 5 Skystream 3.7.4 ιάµετρος (m) Ύψος (m) Ταχύτητες λειτουργίας (m/s) Ταχύτητα µέγιστης ισχύος (m/s) Συντελεστής µέγιστης ισχύος Τιµή 9.8 48.7 4-5 5.6 335. $ 3.7-8 3.5-5 3.7-8. $ 5.5 Ισχύς (kw) Ισχύς (kw) 5 5 Ταχύτητα ανέµου (m/s) 5 5 Ταχύτητα ανέµου (m/s)
ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Επιλογή θέσης ανεµογεννητριας Μελέτη για τον προσδιορισµό της διεύθυνσης και της ταχύτητας των επικρατούντων ανέµων Εντοπισµός των φυσικών και τεχνητών εµποδίων Εκτίµηση της τραχύτητας του εδάφους Καταγραφή του υπάρχοντος στην περιοχή ηλεκτρικού δικτύου Εκτίµηση της ευκολίας υλοποίησης κατασκευών (πρόσβαση στη θέση, µορφολογία εδάφους) ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Όταν ο αέρας έχει φύγει από ανεµογεννήτρια έχει χάσει την ενέργειά του και έτσι στην περίπτωση των αιολικών πάρκων οι αποστάσεις µεταξύ δύο ανεµογεννητριών πρέπει να είναι 5-9 φορές την διάµετρο της πτερωτής (στη διέυθυνση των επικρατούντων ανέµων) και 3-5 φορές (κάθετα στη επικρατούσα διεύθυνση). Γενικά σε αιολικά πάρκα οι απώλειες κυµαίνονται από 5 έως 5% Όταν ο αέρας βρει άνοιγµα, ηταχύτητατουµπορεί να αυξηθεί έως και 5% (tunnel effect) Η ταχύτηταανέµου αυξάνεται στις κορυφές λόφων (hill effect)
ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Επιλογή θέσης ανεµογεννητριας Μελέτη για τον προσδιορισµό της διεύθυνσης και της ταχύτητας των επικρατούντων ανέµων Εντοπισµός των φυσικών και τεχνητών εµποδίων Εκτίµηση της τραχύτητας του εδάφους Καταγραφή του υπάρχοντος στην περιοχή ηλεκτρικού δικτύου Εκτίµηση της ευκολίας υλοποίησης κατασκευών (πρόσβαση στη θέση, µορφολογία εδάφους) ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Όταν ο αέρας έχει φύγει από ανεµογεννήτρια έχει χάσει την ενέργειά του και έτσι στην περίπτωση των αιολικών πάρκων οι αποστάσεις µεταξύ δύο ανεµογεννητριών πρέπει να είναι 5-9 φορές την διάµετρο της πτερωτής (στη διεύθυνση των επικρατούντων ανέµων) και 3-5 φορές (κάθετα στη επικρατούσα διεύθυνση). Γενικά σε αιολικά πάρκα οι απώλειες κυµαίνονται από 5 έως 5% Όταν ο αέρας βρει άνοιγµα, η ταχύτητατουµπορεί να αυξηθεί έως και 5% (tunnel effect) Η ταχύτηταανέµου αυξάνεται στις κορυφές λόφων (hill effect)
ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Επιλογή θέσης ανεµογεννητριας σε σχέση µεεµπόδιο Η Επικρατών άνεµος Περιοχή έντονα διαταραγµένης ροής ανέµου Η Η Η Η Σηµαντική επίδραση έχει η ανεµοπερατότητα (porosity) του εµποδίου. Η ανεµοπερατότητα ενός συµπαγούς εµποδίου (π.χ. κτιρίου) έχει την τιµή, ενώ στην περίπτωση µη συµπαγούς εµποδίου (π.χ. συγκροτήµατος κτιρίων) υπολογίζεται ως το πηλίκο της ανοικτής επιφάνειας προς τη συνολική επιφάνεια.
ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Επίδραση εµποδίου ύψους m και µήκους 6 m σε ανεµογεννήτρια ύψους 5 m και σε απόσταση 3 m Ποσοστό ταχύτητας ανέµου Ποσοστό αιολικής ενέργειας
ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εγκατεστηµένη ισχύς ΧΩΡΑ Γερµανία Ισπανία ΗΠΑ ανία Ινδία Ιταλία Ολλανδία Ιαπωνία Βρετανία Κίνα Σύνολο Παγκόσµια εγκατεστηµένη αιολική ισχύς ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ (MW) 4 5 669 848 863 7 675 949 34 38 3 443 65 77 78 9 896 4 888 353 764 6 463 575 479 MW 5898 MW ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ανία 9% Αυστραλία.5% Γερµανία 5.5% Ιρλανδία % ΗΠΑ.4% Ελλάδα.35%
ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΡΓΟΥ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εκτίµηση αιολικού δυναµικού Εκτίµηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων Άδεια κατασκευής Σχεδιασµός έργου Κατασκευή Ανεµογεννήτριας Οδικής πρόσβασης Γραµµής µεταφοράς ηλεκτρικού ρεύµατος Υποσταθµού ηλεκτρικού ρεύµατος
ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Κατάσταση στην Ελλάδα (7)
ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μέτρηση Αιολικού δυναµικού µετρήσεις αιολικού δυναµικού απαραίτητες για σχεδιασµό και καλό προγραµµατισµό λειτουργίας αιολικού σταθµού εκτίµηση του διαθέσιµου αιολικού δυναµικού µιας περιοχής πολύ ευαίσθητη στις διακυµάνσεις ταχύτητας του ανέµου κατάλληλη επιλογή θέσης µέτρησης, εξειδικευµένο προσωπικό και εµπειρία εγκατάσταση µεταλλικού ιστού ύψους τουλάχιστον m στον οποίο τοποθετούνται ένα ή περισσότερα ανεµόµετρα και ανεµοδείκτες για τουλάχιστον έτος Χωροθέτηση εντοπισµός κατάλληλων περιοχών (µε πλούσιο αιολικό δυναµικό) µε σκοπό την µεγαλύτερη δυνατή χωρική συγκέντρωση αιολικών πάρκων καθιέρωση κανόνων χωροθέτησης µε σκοπότηναρµονικήένταξητους στο φυσικό και ανθρωπογενές περιβάλλον και περιορισµό των συγκρούσεων χρήσεων γης ορισµός περιοχών Αιολικής προτεραιότητας
ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αιολικό δυναµικό
ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αιολικό δυναµικό
B 3 4 5 6 7 8 9 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Χαρακτηρισµός Άπνοια Σχεδόν άπνοια Πολύ ασθενής Ασθενής Σχεδόν µέτριος Μέτριος Ισχυρός Πολύ ισχυρός Θυελλώδης Πολύ θυελλώδης Θύελλα Ισχυρή θύελλα Τυφώνας Κλίµακα Beaufort Ταχύτητα ανέµου m/s -..3-.5.6-3.3 3.4-5.4 5.5-7.9 8.-.7.8-3.8 3.9-7. 7.-.7.8-4.4 4.5-8.4 8.5-3.6 >= 3.7 km/h < -5 6- -9-8 9-38 39-49 5-6 6-74 75-88 89-3-7 >= 8 Κόµβοι (mi/hr) < < 4-6 7- -6 7- -7 8-33 34-4 4-47 48-55 56-63 >= 64 Η αντιστοιχία της ταχύτητας ανέµου u σε m/s, σε ύψος m, µετοναριθµό Beaufort Β, δίνεται από τη σχέση: u =.836 B 3/
u = u ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ ln ln z z z z Υψοµετρική µεταβολή της ταχύτητας ανέµου όπου u, u ηταχύτηταανέµου σε ύψη z και z αντίστοιχα z ηπαράµετρος τραχύτητας Τυπικές τιµές της παραµέτρου τραχύτητας z για διάφορες φυσικές επιφάνειες (cm) Πάγος. Ασφαλτοστρωµένη επιφάνεια. Υδάτινη επιφάνεια.-.6 Χλόη ύψους µέχρι cm. Χλόη ύψους µέχρι - cm.-. Χλόη-σιτηρά κλπ ύψους -5 cm -5 Φυτοκάλυψη ύψους - m ένδρα ύψους -5 m 4-7 Πηγή: Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος, 999
ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ k c x e x F ) / ( ) ( = Συνάρτηση κατανοµής Weibull: ) ( k c µ + Γ = + Γ + Γ σ = ) ( ) ( k k c µ, σ µέση τιµή και τυπική απόκλιση του δείγµατος c, κ παράµετροι της κατανοµής Weibull Γ(x) συνάρτηση Γάµα ) ( k c + Γ µ = ) ( ) ( + Γ + Γ = + µ σ k k Προσαρµογή θεωρητικής κατανοµής Εκτίµηση παραµέτρων µετηµέθοδο των ροπών
ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑΣ (% 4 3 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Πεντέλη ΠΟΣΟΣΤΟ ΕΤΟΥΣ (%) 4 3 - - -3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9- > ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 4 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL - - -3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9- > ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑΣ (% 3 ΠΕΝΤΕΛΗ ΨΥΤΑΛΛΕΙΑ Ψυτάλλεια ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL - - -3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9- > ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ (% 8 6 4 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL 3 4 5 6 7 8 9 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ (% 8 6 4 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL 3 4 5 6 7 8 9 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s)
3 5 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΜΠΥΛΗ ΙΣΧΥΟΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ WINCON W5/9 ΙΣΧΥΣ (kw) 5 ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΜΦΑΝΙΣΗΣ (%) 5 4 7 3 6 9 5 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 8 6 4 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΕΜΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/ΕΤΟΣ) 8 6 4 ΕΤΗΣΙΑ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 4 7 3 6 9 5 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 4 7 3 6 9 5 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s)
Κατανοµή ταχυτήτων ΩΡΕΣ ΑΝΑ ΕΤΟΣ 8 6 4 5 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Καταλληλότητα καµπύλης ισχύος σε σχέση µεταανεµολογικά χαρακτηριστικά 5 Ενέργεια (MWh) Σύνολο (MWh) Καµπύλη ΙΣΧΥΣ (kw) 4 3 Αρχή λειτουργίας Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y) 5 5 65 Καµπύλη ΙΣΧΥΣ (kw) 5 4 3 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) Αρχή λειτουργίας Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y) 5 5 5 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 35 Καµπύλη 3 ΙΣΧΥΣ (kw) 5 4 3 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) Αρχή λειτουργίας Τέλος λειτουργίας ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/y) 5 5 5 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 4 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s)
ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Συντελεστής δυναµικότητας (Capacity Factor) Η ποσότητα της ενέργειας που παράγει η ανεµογεννήτρια σε ένα έτος ως προς αυτή που θα µπορούσε θεωρητικά να παραχθεί µε πλήρη λειτουργία (8766 ώρες) Παράδειγµα: Μία ανεµογεννήτρια 6 kw παράγει.5. kwh σε ένα έτος Οσυντελεστήςδυναµικότητας είναι: 5 /(8766*6)=.85 = 8.5 % Συνήθως ο συντελεστής δυναµικότητας κυµαίνεται από.3 -.7.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Βιβλία-Άρθρα Αλεξάκης Α., Αιολική ενέργεια, Εκδόσεις Σιδέρη, Αθήνα, 993. Καλδέλλης Ι., ιαχείριση της Αιολικής Ενέργειας, Εκδόσεις Σταµούλης, Αθήνα 999. Κουτσογιάννης,. και Θ. Ξανθόπουλος, Τεχνική Υδρολογία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 999. Κουτσογιάννης,., Στατιστική Υδρολογία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 999. Νοµίδης., Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα νησιά του νότιου Αιγαίου, ελτίο ΠΣ ΜΗ, Αθήνα, 999. Gipe P., Wind energy basics: a guide to small and micro wind systems, Chelsea Publishing Co., 999. Walker J., Wind energy technology, John Wiley & Sons, 997. Ιστοσελίδες www.worldweb.com www.cogreenpower.org www.telosnet.com/wind
Μέτρηση u = u z ln z z ln z Εκτίµηση Εκτίµηση Σταθµός Α (8 m) µ = 4.8 σ =.5 c =.96 k = 5.38 Σταθµός Α (8 m) µ = 5.8 σ = 3. c =.96 k = 6.56 Σταθµός Α (5 m) µ = 7. σ = 3.8 c =.96 k = 8.5 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Επεξεργασία ανεµολογικών δεδοµένων Πυκνότητα πιθανότητας (%) Πυκνότητα πιθανότητας (%) Πυκνότητα πιθανότητας (%) 5 5 5 5 5 5 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL 6 6 6 Ταχύτητα ανέµου (m/s) ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL 6 6 6 Ταχύτητα ανέµου (m/s) ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL 6 6 6 Ταχύτητα ανέµου (m/s) Συνάρτηση κατανοµής (%) Συνάρτηση κατανοµής (%) Συνάρτηση κατανοµής (%) 8 6 4 8 6 4 8 6 4 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL 5 5 5 3 Ταχύτητα ανέµου (m/s) ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL 5 5 5 3 Ταχύτητα ανέµου (m/s) ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL 5 5 5 3 Ταχύτητα ανέµου (m/s)
ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Εκτίµηση παραγόµενης ενέργειας Σταθµός Α (8 m) Σταθµός Α (5 m) Κατανοµήταχυτήτων ανέµου Πυκνότητα πιθανότητας (%) 5 5 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL Πυκνότητα πιθανότητας (%) 5 5 ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ WEIBULL Καµπύλες ισχύος (kw-m/s) Ανεµογεννήτρια (D=3.7 m) 3..5..5..5. 5 5 5 8 6 4 6 6 6 Ταχύτητα ανέµου (m/s) Παραγόµενη ενέργεια (kwh) 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 6 6 Ταχύτητα ανέµου (m/s) 565 kwh/yr 5 Ανεµογεννήτρια (D=3 m) 8 5 4857 kwh/yr 6 4 5 5 5 5 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5
Αριθµός ωρών: 634 Μέση τιµή: 7. m/s Τυπ. Αποκ.: 3.8 m/s ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Πορεία υπολογισµών Παράµετροι Weibull k:.96 c: 8.5 k=kappa(µ,σ) c=µ/exp(gammaln(+/k)) Ανεµογεννήτρια D: 3 m, A: 76.7 m, ρ:.5 kg/m 3 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ ΣΤΑ 5 m (m/s) WEIBULL ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh/ετοσ) ΙΑΣΤΗΜΑ ΟΡΙΟ hr ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ F(x)% f(x)% ΩΡΕΣ/ΕΤΟΣ m/s kw ΜΗΧΑΝΗ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ <.5.5 5..4.4 37.6.5-.5.5 655.5 3.6 3. 8.7..5-.5.5 74 7.9 9.6 5.9 5. 85..5-3.5 3.5 98 8. 7.7 8. 7. 3 83. 3.5-4.5 4.5 93 8.7 7.3 9.6 84.9 4 396. 4.5-5.5 5.5 673. 37.6.3 97. 5 97 4986.8 5.5-6.5 6.5 88. 48..4 93.8 6 876 85439. 6.5-7.5 7.5 74.3 58. 9.9 87. 7 35 3453 986.4 7.5-8.5 8.5 359 9. 67. 9. 789. 8 55 43396 74869.5 8.5-9.5 9.5 44 7.8 74.8 7.8 684.7 9 75 5353 666.4 9.5-.5.5 648 6.3 8.3 6.5 57.5 575 46956.3.5-.5.5 4 5.3 86.5 5. 457.5 5 579 63598..5-.5.5 5 4. 9.6 4. 353.8 5 5365 6466..5-3.5 3.5 776 3. 93.6 3. 64. 3 75 469 57.8 3.5-4.5 4.5 558. 95.7. 9.6 4 386 637.7 5.5-5.5 5.5 38.5 97.3.5 33. 5 5 9935 94366.5 5.5-6.5 6.5 4.9 98.3. 89.9 6 978 5947. 6.5-7.5 7.5 45.6 99..7 58.9 7 5 655 576. 7.5-8.5 8.5.4 99.4.4 37.3 8 784 9473.8 8.5-9.5 9.5 67.3 99.6.3 3. 9 5 479 68.7 9.5-.5.5 43. 99.8. 3.7 74 4746.6.5-.5.5 6. 99.9. 7.9 587 383.5.5-.5.5. 99.9. 4.5 89 54.4.5-3.5 3.5 5....4 3 486 8.4 3.5-4.5 4.5....3 4 57 77.3 4.5-5.5 5.5....7 5 3 4476.3 >5.5 6.5....3 634 8766 4857 779